Os sistemas de quarta geração compreendem não só o reactor mas também a forma de conversão de energia, instalações para todo o ciclo de combustível desde a extracção até à deposição final. Com base nestas directivas o consórcio internacional identificou 6 tipos de sistemas, a motivação por detrás do desenvolvimento destes sistemas é a procura em satisfazer os objectivos tecnológicos do projecto: geração de electricidade, hidrogénio, água doce, produção de calor e gestão adequada de actínidios. Procurou-se também ter uma margem de segurança já que é possível que nem todos estes sistemas sejam capazes de cumprir os objectivos iniciais ou ser economicamente viáveis.“Gás-Cooled Fast Reactor System” (GFR): consiste num reactor de neutrões rápidos arrefecido por gás (hélio), com um ciclo de combustível fechado. Como outros reactores térmicos arrefecidos com hélio, a elevada temperatura de saída do hélio de refrigeração possibilita processar o calor com elevada eficiência permitindo a produção de electricidade e hidrogénio. O reactor de referência possui 288MWe e é arrefecido com hélio que sai a 850ºC para uma turbina de gás segundo um ciclo de Brayton para atingir uma elevada eficiência térmica (42%). Existem vários combustíveis candidatos a operar a estas elevadas temperaturas e que asseguram um retenção eficiente dos produtos da fissão entre eles pastilhas cerâmicas compósitas, partículas de combustível avançadas e compostos cerâmicas de actínidios. A configuração do núcleo pode ser baseada em blocos prismáticos, tubulares ou chapas de combustível. O GFR possui um sistema local integrado para o tratamento e reprocessamento do combustível, e uma turbina de ciclo directo movida a hélio para gerar electricidade, ou opcionalmente usar o calor para produzir hidrogénio através da separação termoquímica deste. Através da combinação de neutrões rápidos e reciclagem dos actínidios o GFR minimiza a produção de resíduos radioactivos de vida longa. Possibilita ainda a utilização de materiais fissionáveis ou férteis de forma mais eficiente que os actuais reactores térmicos arrefecidos a gás.
“Lead-Cooled Fast Reactor System” (LFR): é um reactor de neutrões rápidos que usa chumbo ou uma liga de chumbo-bismuto como metal de refrigeração e um sistema fechado de combustível para efectuar a conversão de urânio fértil (238) em plutónio. O sistema tem um ciclo que permite a reciclagem completa de actínidios do combustível em instalações locais ou regionais. Este sistema é apresentado como bastante flexível permitindo centrais de bateria com potências de 50-150MWe (SSTAR), que apresenta um grande intervalo entre reabastecimentos, em alternativa é possível criar um sistema modular com potências de 300-400MWe ou uma grande central monolítica de 1200MWe. O termo bateria refere-se a um núcleo de fábrica de vida longa e não aos dispositivos electrolíticos. O combustível é metálico ou um composto à base de nitreto contendo urânio fértil e transuranianos. O LFR é arrefecido por convecção natural do metal que tem uma temperatura de saída de 550ºC mas com possibilidade de ser estendida a 800ºC usando materiais avançados. Esta temperatura permitiria a obtenção de hidrogénio pelo processo termoquímico. A bateria do LFR é um sistema pré-fabricado operando em ciclo fechado com tempos longos de reabastecimento (15-20 anos), nessa altura é possível substituir apenas o núcleo ou o módulo completo. Um dos mercados alvo do LFR é a geração de energia eléctrica para pequenas redes de distribuição, ou para países que não desejem criar de raiz estruturas para o ciclo de combustível de forma a suportar os seus programas de energia nuclear. O sistema de bateria foi projectado para a geração de electricidade e outros produtos como hidrogénio ou água potável.
“Molten Salt Reactor System” (MSR): é constituído por um reactor arrefecido por uma mistura de sal fundido e com um sistema de reciclagem completa de actínios. Neste sistema o combustível é uma mistura líquida circulante de sódio, zircónio e fluoretos de urânio. O combustível de sal fundido flúi através de canais de grafite do núcleo produzindo um espectro epitérmico. O calor gerado no sal fundido é depois transferido para um circuito secundário por um permutador de calor, depois deste para um terceiro circuito através de um permutador de calor e deste para o sistema de geração de electricidade. A central de referência opera com uma potência de 1000MWe. O circuito possui uma temperatura de saída de 700ºC com possibilidade de chegar aos 800ºC através de melhorias da eficiência térmica. O circuito de combustível fechado pode ser trabalhado para a combustão eficiente de plutónio e actínidios. O facto do sistema MSR possuir o combustível no estado líquido permite a adição de actínidios tais como o plutónio, evitando a necessidade de fabricação de combustível. Os actínios resultantes dos produtos de fissão formam fluoretos no líquido de arrefecimento, estes fluoretos possuem excelentes propriedades de transferência de calor e uma baixa pressão de vapor reduzindo a tensão sobre as tubagens.
“Sodium-Cooled Fast Reactor System” (SFR): é um reactor de neutrões rápidos arrefecido com sódio numa lógica de ciclo de combustível fechado para uma gestão eficiente de actínidios e conversão de urânio fértil. O ciclo de combustível emprega uma reciclagem completa de actínidios em duas opções básicas: uma para centrais de tamanho intermédio 150-500MWe com arrefecimento por sódio e com uma liga de combustível constituída por urânio, plutónio, actínidios e zircónio. A segunda para grandes centrais de 500-1500MWe arrefecidas a sódio mas com um combustível de óxidos de urânio e plutónio, suportada por instalações de processamento aquoso avançado em instalações centralizadas servindo um grande número de reactores. Em qualquer dos casos a temperatura de saída do líquido de refrigeração é de 550ºC. O sistema SFR foi projectado para gestão de resíduos de elevada radioactividade, em particular a gestão de plutónio e actínidios. Medidas importantes de segurança incluem um longo tempo de resposta térmica, uma margem elevada relativamente à ebulição do líquido de arrefecimento, um sistema primário que opera a pressão quase atmosférica, e um sistema secundário de sódio fundido entre o sistema primário de sódio radioactivo e o sistema de geração de vapor para as turbinas. Com inovações para reduzir custos de capital o SFR será capaz de servir os mercados de electricidade. A filosofia de neutrões rápidos permite utilizar materiais fissionáveis e férteis de forma mais eficiente que os reactores térmicos de neutrões lentos.
“Supercritical Water-Cooled Reactor System” (SCWR): é um reactor de alta temperatura e pressão arrefecido a água que opera num ciclo termodinâmico acima do ponto crítico da água (374ºC, 22,1MPa). O refrigerante constituído por água no estado supercrítico permite uma eficiência térmica (45%) um terço superior à dos actuais reactores de água leve (35%), bem como a simplificação da central pois o refrigerante não muda de fase no reactor e encontra-se acoplado directamente ao sistema de geração eléctrica. A central de referência opera com uma potência de 1700MWe, com uma pressão de operação de 25MPa (250bar), e uma temperatura de saída do refrigerante de 510ºC com possibilidade de ir até 550ºC. O combustível é composto por óxido de urânio. O reactor incorpora sistemas de segurança passiva semelhantes ao BWR simplificados. Este sistema foi projectado principalmente para a produção eficiente de energia eléctrica com uma opção de gestão de actínidios baseado em dois tipos de núcleo de reactor: reactor de neutrões térmicos, ou neutrões rápidos. Desta forma o sistema oferece duas opções diferentes ao nível do combustível: a primeira opção é um ciclo aberto em reactor de neutrões térmicos; o segundo é um ciclo fechado com um reactor de neutrões rápidos e reciclagem completa de actínidios em centrais avançadas de processamento aquoso em instalações centrais.
“Very-High-Temperature Reactor System” (VHTR): é um reactor moderado por grafite, arrefecido a hélio alimentado por um ciclo de urânio. Fornece uma temperatura de saída do refrigerante de 1000ºC permitindo aplicações como a produção de hidrogénio ou fornecimento de calor a indústrias petroquímicas ou outras. O reactor de referência tem 600MWe de potência, com o circuito primário a fornecer calor por um permutador de calor e um circuito secundário para a utilização posterior desse calor. O núcleo do reactor pode ser um bloco prismático como os reactores Japoneses HTTR, ou um “pebble-bed” como os Chineses HTR-10. Para a produção de hidrogénio, o sistema fornece calor que pode ser usado eficientemente pelo processo termoquímico iodo-enxofre. O VHTR foi projectado para ser altamente eficiente no fornecimento de calor a um largo leque de indústria com grande intensidade energética de calor (e não de electricidade). O sistema pode incorporar equipamentos de produção eléctrica para satisfazer necessidades de co-geração, possui também a flexibilidade de adoptar combustíveis de urânio ou plutónio e oferece uma geração mínima de resíduos. Assim o VHTR oferece ainda uma ampla gama de aplicação em processos de geração de calor e uma opção para a geração de electricidade com alta eficiência, enquanto mantém as características de segurança oferecidas por outros reactores modulares de alta temperatura arrefecidos por gás.
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