Pequenos reatores nucleares podem economizar energia americana

Muitas vezes apresentada como uma alternativa mais flexível e poderosa às energias renováveis, as vantagens da energia nuclear não superaram sua volatilidade obstinada. Associamos reatores nucleares com mais frequência a desastres do que à inovação, mas à medida que os Estados Unidos desativam mais usinas de carvão e gás, os engenheiros esperam que novos conceitos de reatores possam resgatar a estatura do nuclear na energia americana. Maior não é mais melhor. O futuro, dizem os especialistas, se parece com a energia nuclear “multivelocidade” – uma combinação de grandes usinas tradicionais e reatores de megawatt menores e mais seguros.

“Até agora, os clientes só tinham uma opção para energia nuclear, e essa era uma usina de energia do tamanho de gigawatts”, diz Rita Baranwal, secretária assistente de Energia Nuclear do Departamento de Energia. “Agora, estamos falando de reatores na escala de megawatts que podem atender com flexibilidade às necessidades de energia de um cliente à medida que a demanda cresce.”

Baranwal diz que reatores de megawatt (um megawatt alimenta cerca de 650 casas) serão mais baratos de construir e operar, e podem ser instalados em qualquer lugar do mundo. Uma indústria de energia nuclear localizada mais sensível ao contexto – na qual pequenas cidades, instalações remotas e grandes cidades encontram soluções nucleares adaptadas às suas necessidades – poderia substituir uma grande faixa de usinas de combustível fóssil, preenchendo os tempos de inatividade inertes e sugadores de recursos deixados pelas energias renováveis.


Os princípios do projeto do reator nuclear podem ser rastreados até o reator original de Enrico Fermi de 1942 no Laboratório Nacional de Argonne, perto de Chicago. Fermi e os outros engenheiros de Argonne propuseram e projetaram muitos tipos de reatores, como reatores comerciais de água fervente e reatores de pesquisa experimental, diz Katy Huff, engenheira nuclear e pesquisadora da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign de engenharia nuclear, de plasma e radiológica. (NPRE). Argonne liderou um boom criativo na energia nuclear. “Todos esses diferentes reatores foram concebidos ao mesmo tempo”, diz Huff. “No início, estávamos tentando todos eles.”

Nem todo reator sobreviveu. Assim como os HD DVDs caíram para o Blu-ray, experimentos como o reator de sódio no Santa Susana Field Laboratory e a planta Peach Bottom refrigerada a gás na Pensilvânia caíram para o reator de água leve mais comum. Mesmo os projetos de reatores nucleares devem algum sucesso ao acaso, conveniência e capricho do mercado.

O reator ideal para os padrões atuais enfatiza a segurança, a relação custo-benefício e a adaptabilidade. Desde que o engenheiro Richard Eckert, da New Jersey Public Service Electric & Gas Co., concebeu uma usina nuclear flutuante em 1969 – uma que poderia ser construída fora do local, rebocada até seu destino final e operada sobre a água – tem havido uma veia de pensando em nuclear que diz que reatores menores são uma forma adequada de energia para o futuro. É aí que a minúscula nuclear espera provar-se uma alternativa competitiva às enormes usinas nucleares que conhecemos.

Geralmente, reatores minúsculos têm algumas vantagens sobre usinas de energia. Primeiro, eles são mais eficientes em termos de espaço. Um pequeno projeto de reator modular de 2019 da startup NuScale do Oregon tem cerca de 1% do tamanho da câmara de contenção de uma usina tradicional, embora forneça 10% da potência de uma usina. E enquanto as usinas nucleares tradicionais precisam de um amortecedor de segurança de 10 milhas em todas as direções em caso de colapso, pequenos reatores podem operar em locais próximos com muito menos risco. Essa é a segunda grande vantagem: segurança. Alguns projetos de reatores pequenos incorporam segurança totalmente passiva e sistemas de gerenciamento de risco que dependem das leis constantes e imutáveis ​​da física – como gravidade ou flutuabilidade – para desempenhar funções de segurança em vez das ações de pessoas ou equipamentos mecânicos. Finalmente, há escalabilidade. Muitos reatores pequenos são projetados com a replicabilidade em mente. Se uma comunidade, fábrica ou cidade precisar de um impulso extra de energia nuclear, eles podem simplesmente encomendar outro reator.

NuScale é o mais conservador dos pequenos programas nucleares que tentam chegar ao mercado. Seu projeto de reator é um reator de água leve tradicional (veja a divulgação anterior), mas menor, mais simples e – de acordo com a NuScale – mais escalável. O projeto elimina bombas de refrigeração, vasos geradores de vapor externos e outros equipamentos encontrados em plantas existentes, então a NuScale afirma que é mais barato de fabricar, de menor risco para os operadores e mais fácil de manter.

O design de água leve dá ao NuScale uma vantagem em poder entre seus pares de reatores minúsculos. Enquanto outras empresas buscam a aprovação de reatores que produzem apenas alguns megawatts de energia, o projeto da NuScale chega a 60 megawatts. Para comparação, a menor usina nuclear dos EUA produz 600 megawatts, mas é 100 vezes o tamanho do módulo de energia do NuScale.

O reator da NuScale buscará complementar, não substituir, uma rede já dependente de energias renováveis. Durante o dia, ele pode operar com 20% de produção de energia para deixar as energias renováveis ​​fazerem o trabalho, antes de chegar a 100% à noite, enquanto o resto da rede está em tempo de inatividade solar.


Katy Huff e UIUC estão buscando aprovação para construir seu próprio reator minúsculo baseado em projetos da Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC), uma empresa que adota uma abordagem mais extrema do que a NuScale em um esforço para o campo em direção a novos padrões de segurança e uso mais possível casos. O projeto proposto pela USNC está enraizado em baixa densidade de energia e baixa geração de calor de decaimento após o desligamento, o que significa menos risco de colapso. A startup de energia está ciente de que a volatilidade condenou outros esforços nucleares no passado. “Os reatores normais estão na densidade de potência de 20 a 40 watts por centímetro cúbico”, diz Lorenzo Venneri, da USNC. “Estamos no 1 ao 3 [watts] por centímetro cúbico de densidade de potência.”

“O combustível para reatores nucleares foi desenvolvido para submarinos nucleares onde as demandas são totalmente diferentes das demandas de uma usina de energia”, diz o fundador Francesco Venneri – esta é parcialmente uma operação da família Venneri – diz. “Um submarino é como um carro esportivo de alta velocidade: ele precisa subir e descer de potência muito rapidamente. Isso é exatamente o oposto do que uma usina nuclear deveria ser para produzir energia.”

O conceito de reator da USNC usa combustível Microencapsulado Totalmente Cerâmico (FCM), no qual um composto de cerâmica-carbono e carboneto de silício reveste os grânulos de óxido de urânio. A cerâmica protege os grãos do combustível, mas ainda conduz calor. Quando esse combustível é usado em um ambiente de baixa densidade de energia, ele cria um reator que, segundo Venneri, não pode derreter. Dentro do reator, um mecanismo de feedback interrompe a reação quando ela excede a temperatura de operação, de modo que nada pode ficar quente o suficiente para derreter. Isso contrasta com um padrão estabelecido no projeto de usinas nucleares, diz Venneri, para &ldquo o envelope e depois construir outro envelope em torno dele.

Engenheiros como Venneri calculam o risco como produto de probabilidades e consequências. “Descobrimos que tentar diminuir as probabilidades é um jogo perdido”, explica. “Queremos tentar manter baixas as probabilidades de eventos adversos, mas, ao mesmo tempo, garantir que as consequências sejam zero.”


A startup Oklo, com sede na Califórnia, está levando a prevenção de riscos ainda mais longe, a ponto de evitar o legado americano de reatores refrigerados a água. Seu microrreator de fissão avançado pode usar sódio como refrigerante (entre outros métodos), por isso não requer água. A usina de 1,5 megawatt, diz Oklo, funciona como uma bateria na produção de energia elétrica. É independente e pode se auto-sustentar por 20 anos sem reabastecimento.

“A indústria normalmente adota essa abordagem incremental para as coisas”, diz Jacob DeWitte, cofundador e CEO da Oklo. “Mas em nossa mente temos que fazer as coisas de forma mais transformadora, francamente pelo bem do planeta.”

O reator Oklo usa combustível de urânio de alto ensaio e baixo enriquecimento (HALEU) para obter maior eficiência e potência por volume, devido ao seu tamanho. O HALEU é enriquecido entre 5 e 20 por cento do isótopo U-235 – o isótopo que, quando dividido, produz calor em uma reação nuclear – em comparação com os 3 por cento de urânio pouco enriquecido em uma usina de energia típica. Este potencial inovador tem mais trabalho pela frente para aprovação do que seus primos refrigerados a água, mas Oklo está apostando em seu design espacial e financeiro pouco exigente. Seu local de demonstração no Laboratório Nacional de Idaho abrange apenas um quarto de acre. “Ainda somos fissão, mas fora isso, usamos combustível diferente, resfriamento diferente, tecnologia diferente”, diz a cofundadora e COO Caroline Cochran da Oklo.


Se a atual infraestrutura de energia nuclear fosse um sistema circulatório, apenas as principais veias e artérias estariam bombeando – essas são as gigantescas usinas de energia. Mas pequenos reatores podem ser como capilares, estendendo a energia até as extremidades (pequenas cidades, acampamentos industriais remotos, pequenas ilhas e quarteirões específicos) do corpo de energia nuclear.

“Se você olhar para os grandes reatores atuais e onde eles estão sendo instalados, eles estão indo para países que precisam descarbonizar”, diz o CTO da Westinghouse Electric Company, Ken Canavan. Países como China e Polônia estão “substituindo várias usinas de carvão de médio ou grande porte por uma única nuclear”, diz ele, e esses países têm contextos em que grandes usinas nucleares são apropriadas. “Se você olhar para outros países que têm redes menores, eles não têm capacidade para instalar uma grande usina nuclear.” É aí que reatores como o da NuScale – com apenas 20 metros de altura e 3 metros de diâmetro – podem ser úteis.

Canavan se protege, no entanto, ao dizer que os conceitos tradicionais de reator podem voltar depois que o pequeno nuclear atingir o varejo. Ele diz que uma pequena energia nuclear pode atrapalhar a energia nuclear além do que podemos projetar hoje, e em um futuro em que mais coisas precisarão de energia elétrica (e não menos do que seu carro) do que nunca, uma energia nuclear “multispeed” ou “multidimensional”. é provável que surja o mercado. Aqui, quem deseja substituir uma microrrede diesel remota pode encontrar uma solução em energia nuclear, ou uma combinação de energia nuclear e renovável.

Por enquanto, Oklo, USNC e NuScale se concentram em pequenos mercados como ponto de entrada, porque nos Estados Unidos, as grandes plantas estão envelhecendo ou são estigmatizadas demais para serem substituídas. Encontrar casos de uso comuns, mas inexplorados, para pequenas energias nucleares, como cidades rurais, será fundamental para revigorar o interesse na tecnologia de energia nuclear, e encontrar maneiras de integrar a energia nuclear ao lado ou em redes focadas em energia renovável será importante para aclimatar o mundo à energia nuclear. Um estudo de 2020 da Universidade de Sussex descobriu que o desenvolvimento de grandes usinas nucleares estancou grandes porções do desenvolvimento global de energia renovável entre 1990 e 2014, mas outro relatório de 2020 sobre o futuro próximo da energia mostrou quatro cenários separados que demonstraram um crescimento descontrolado em energias renováveis ​​ao lado de modestos crescimento da energia nuclear. Vemos essas coisas como concorrentes; eles poderiam coexistir.

Em 2040, se esses pequenos projetos de reatores forem bem-sucedidos, poderemos ver uma seleção de tamanhos de usinas, tecnologias e tipos de locais entrando no cenário energético americano. “Se você observar como tudo está indo, trata-se de personalização”, diz Canavan. “O que isso vale para nós? A capacidade [small reactors] oferta, e a capacidade que eles fornecem, é simplesmente insubstituível.”

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *