Facilitando a tecnologia avançada de reator nuclear por meio da inovação em combustível

Gosto de imaginar um mercado de combustíveis nucleares onde um projetista de reator pode comprar combustíveis de maneira semelhante a um designer de interiores que compra ladrilhos.

O projetista do reator pode trazer seu envelope operacional, ou seja, as temperaturas de entrada e saída do refrigerante, fluência de nêutrons, cenários de acidentes com base no projeto, refrigerantes primários e secundários, etc. Em seguida, um fornecedor de combustível pode fornecer opções para maximizar o desempenho do reator. No entanto, nos EUA hoje, a única forma de combustível comercial licenciada e qualificada permaneceu quase inalterada desde a década de 1960. Como tal, os reatores comerciais de produção de energia são quase exclusivamente operados com uma forma de combustível à base de dióxido de urânio (UO2). Há um número modesto de fornecedores de combustível em todo o mundo que fornecem esse combustível UO2 envolto em um revestimento à base de zircônio. É importante notar que outras formas de combustível são usadas em reatores de pesquisa e reatores de teste1; no entanto, para núcleos comerciais, o UO2 não é apenas o 'padrão ouro', mas é a única opção de combustível, pelo menos aqui nos EUA.

Após o acidente de Fukushima Daichi em 2011, os esforços globais aumentaram para trazer ao mercado os chamados 'combustíveis tolerantes a acidentes' (ATF)2, que inicialmente pareciam fornecer a oportunidade para um afastamento significativo do padrão industrial de longa data. O objetivo do programa de combustíveis tolerantes a acidentes é estender o tempo de resistência de uma forma de combustível de reator de água leve (LWR).3 Essencialmente, uma comunidade global de cientistas, engenheiros, empresas de serviços públicos e fornecedores de combustível passou uma década avaliando opções e avançando o estado de conhecimento da tecnologia de combustível nuclear para determinar um substituto para a forma de combustível tradicional que fosse economicamente viável e pudesse suportar uma perda de acidente de refrigerante por um período de tempo mais longo antes que ocorresse a liberação de radioisótopos. Para fazer isso, a condutividade térmica e a resistência à oxidação da forma de combustível nuclear precisavam ser aumentadas, juntamente com várias outras métricas de desempenho de combustível desejadas.4 No final de tudo, a comunidade ATF dos EUA estabeleceu duas classes de candidatos a ATF: quase -prazo e longo prazo. As soluções de curto prazo são avanços incrementais para UO2 tradicional em revestimento de zircônio com revestimentos para o revestimento implementados para aumentar a resistência à oxidação e dopantes para o UO2 para melhorar a condutividade térmica e a retenção do produto de fissão.

Durante a primavera de 2011, na época do terceiro grande acidente na história da produção de energia nuclear, eu era um estudante de pós-graduação na Texas A&M University trabalhando em um PhD em Física. Meu projeto de dissertação foi focado no avanço do estado de conhecimento de sais fundidos à base de urânio para um sistema acionado por acelerador proposto5 – um núcleo de reator nuclear que usa um acelerador de partículas como o 'interruptor liga/desliga' para a reação em cadeia de fissão. Em 2022, o sal fundido é agora um ponto focal importante na comunidade nuclear para ser usado como refrigerante ou combustível; no entanto, em 2011, quando eu estava procurando por financiamento suplementar para concluir minha pesquisa de dissertação, os sais não estavam nem perto do topo da lista de prioridades do Escritório de Energia Nuclear do Departamento de Energia dos EUA. O que estava no topo da lista e se tornou o campo de pesquisa de combustíveis em que eu passaria meu pós-doutorado e o início da carreira, eram os combustíveis tolerantes a acidentes.

Como já mencionei, o enorme empreendimento de P&D resultou na implantação de avanços incrementais para o combustível de óxido tradicional, mas também avaliou materiais que ainda não haviam visto uma investigação significativa para a implementação do reator de água leve. Enquanto eu era um pós-doutorando no Laboratório Nacional de Los Alamos, testamos tudo, desde molibdênio a aços e carboneto de silício para candidatos a revestimento e avançamos tanto na fabricação quanto no entendimento termoquímico de vários novos compostos de combustível, incluindo compostos de siliceto de urânio, nitreto de urânio e boreto de urânio. Portanto, a falta de opções de combustível comercial não se deve à falta de inovação e criatividade na comunidade de combustíveis nucleares, nem à falta de candidatos a materiais que possam melhorar o desempenho de nossa atual frota de reatores e permitir projetos revolucionários. para o futuro da energia nuclear.