A 4ª Geração de Energia Nuclear: Mais Barata, Mais Limpa, Mais Segura

Da Ficção Científica à Estagnação

Dizer que a energia nuclear é controversa é um eufemismo. Muitos a veem como uma ideia extremamente perigosa, trazendo à tona o espectro de Chernobyl e Fukushima como prova, e o problema dos resíduos nucleares como algo insolúvel. Outros a encaram como uma tecnologia potencialmente salvadora da civilização, graças à sua capacidade de gerar energia de base com emissões de carbono extremamente baixas e pegada territorial reduzida.

Essa divisão existia desde o início, antes mesmo de a mudança climática ser um tema.

O mundo tomou consciência do poder extraordinário da energia nuclear com o bombardeio atômico de Hiroshima e Nagasaki, seguido logo depois pela invenção da bomba H e a Guerra Fria. A partir dessas origens, o potencial destrutivo de nosso recém‑adquirido domínio sobre o átomo ficou claro.

Logo, a ideia de aproveitá‑lo para fins pacíficos também se firmou. Primeiro veio a iniciativa “Átomo para a Paz”, depois uma onda massiva de construção de usinas nucleares ao redor do mundo. Por um tempo, parecia evidente que o futuro seria nuclear e que queimar carvão, petróleo e gás logo se tornaria tão obsoleto quanto os pitorescos moinhos de vento da Holanda.

Na prática, a produção de energia nuclear deixou de crescer no final da década de 1990, após Chernobyl, e estagnou globalmente desde então, com a produção crescente da China compensando o declínio da indústria nuclear europeia.

Source: Energia Nuclear – Our World in Data

Por muitos anos, parecia que apenas a China e a Rússia estavam dispostas a desenvolver energia nuclear.

Especialmente a China, que, como escreveu o The Economist, “constrói reatores nucleares mais rápido que qualquer outro país“.

Source: The Economist

Hoje, a energia nuclear está voltando ao cenário global, em uma escala inimaginável há alguns anos, com muitas notícias apontando para uma mudança de políticas ao redor do mundo:

• Japão intensifica esforços para reiniciar a maior usina nuclear do mundo
• Secretária de Energia dos EUA, Jennifer Granholm, pede triplicar a frota nuclear americana
• Nova energia nuclear incluída no rascunho do plano energético coreano
• França abandona metas de renováveis e prioriza a energia nuclear no novo projeto de lei de energia
• Reino Unido planeja construir novo reator nuclear na Escócia
• Índia construirá 18 reatores nucleares com capacidade total de 13,8 GW até 2032

O Elo Falho da Descarbonização?

Preocupações com a segurança ainda são muito vivas, e são a justificativa por trás da decisão da Alemanha de fechar suas usinas nucleares.

No entanto, as preocupações com emissões de carbono e mudança climática estão se tornando mais urgentes, e a energia nuclear é, na prática, a menor emissora de todas as fontes de energia, até melhor que vento e solar, que exigem muito mais terra e matérias‑primas.

Source: Our World In Data

Embora espetacular e com consequências duradouras, a energia nuclear é, na prática, tão segura quanto as renováveis quando se mede o número de mortes que causou, mesmo incluindo desastres maiores.

Portanto, analisada objetivamente, a energia nuclear provavelmente deveria ser uma das ferramentas usadas para descarbonizar a rede elétrica e a economia em geral. Isso é ainda mais verdadeiro à medida que precisamos de mais energia para a eletrificação do transporte (VE) e do aquecimento (bombas de calor), além de novas demandas como centros de dados de IA.

A quantidade de carvão, petróleo e gás que precisa ser substituída é impressionante. Mesmo considerando o progresso das renováveis e da adoção de VE, elas ainda representam a imensa maioria do nosso consumo energético hoje.

Source: Our World In Data

E os Resíduos Nucleares?

O verdadeiro perfil de segurança da energia nuclear, porém, deixa a questão dos resíduos nucleares em aberto.

A ideia de deixar para as futuras gerações um lixo tóxico que será perigoso por um período muito mais longo que a Grande Pirâmide permanecer em pé é, no mínimo, angustiante.

Devemos envenenar o futuro para salvar o clima? Felizmente, ao menos duas linhas de solução estão surgindo a partir do progresso tecnológico para responder a esse dilema.

A primeira opção é reciclar o lixo nuclear, e a outra é produzir quase nenhum resíduo nuclear. Ambas fazem parte da chamada 4^th geração de usinas nucleares.

Para mais detalhes, veja abaixo reatores rápidos e reatores de tório.

Claro, no futuro outras soluções poderão ser adotadas, como levar esse lixo para fora da Terra graças a foguetes ultra‑confiáveis. Mas, por enquanto, é improvável que arriscar espalhar resíduos nucleares por metade de um continente em caso de falha de lançamento seja considerado aceitável.

Gerações de Usinas Nucleares

A 1^st geração de usinas nucleares era essencialmente protótipos sem utilização comercial.

A 2^nd geração de usinas nucleares representa a maior parte da frota atual. Foram construídas entre 1965 e 1996.

A 3^rd geração de usinas nucleares foi construída a partir das lições aprendidas com a 2^nd geração e tentou remediar as falhas que levaram a desastres nucleares raros, porém catastróficos. Foram construídas entre 1996 e 2016. Às vezes, fala‑se de geração 3+ para os geradores construídos entre 2017 e 2021, com foco em maior segurança.

A 4ª geração de energia nuclear está apenas começando e representa um afastamento das anteriores, com objetivo de novos designs, conceitos e, talvez, até mudança do combustível nuclear, ao invés de melhorias incrementais.

Existe também uma usina nuclear de 5^th geração em discussão. Esses projetos são teoricamente possíveis, mas ainda não foram pesquisados ativamente. Isso geralmente se deve a questões de viabilidade econômica, falta de tecnologias ou preocupações de segurança.

Usinas Nucleares de 4^th Geração

O que torna uma usina nuclear parte da 4^th geração é amplamente debatido entre especialistas da indústria.

Neste artigo, discutiremos principalmente designs de usinas que se afastam radicalmente dos projetos da 3^rd geração.

E tentaremos manter a explicação o mais simples possível, omitindo alguns detalhes quando necessário.

Reator de Muito Alta Temperatura (VHTR)

Este design se caracteriza por temperaturas muito altas, na faixa de 1.000 °C. É a única usina nuclear de 4^th geração já em operação, com o lançamento comercial em 2023 da Usina Nuclear Huaneng Shandong Shidao Bay, no leste da China.

O design costuma usar um “leito de seixos”, onde esferas cerâmicas pequenas o suficiente para serem seguradas na mão protegem um núcleo de urânio, com dezenas de milhares dessas esferas em um reator.

Source: CGTN

X-Energy (XE )  também está desenvolvendo tecnologia semelhante nos EUA.

Como a reação requer alta temperatura e é resfriada passivamente, este design é inerentemente mais seguro que as usinas nucleares de 3^rd geração.

A vantagem do design de seixos é permitir a substituição sem interromper a produção do reator, com a cerâmica também evitando risco de vazamento de material radioativo.

Reator de Sal Fundido (MSR)

Nestes reatores, o refrigerante é uma mistura de sal fundido ao invés de água ou gás. Em alguns casos, o combustível também está contido no sal fundido.

Reatores de sal fundido tendem a ter maior eficiência de saída, queimar combustível de forma mais eficiente e gerar menos resíduos nucleares. Por serem mais quentes, às vezes são agrupados com o VHTR na categoria “reatores térmicos”.

Entretanto, um problema dos sais fundidos é que são corrosivos, problema agravado pelo potencial enfraquecimento da estrutura pela radioatividade. Isso implica a necessidade de manutenção extremamente cautelosa e inspeções das tubulações, bombas, etc.

Tório

Desde a década de 1950, quase todos os reatores utilizam urânio como combustível. Isso leva as pessoas a presumirem que ele seja a única solução.

Mas isso foi, na prática, uma escolha predominantemente política, já que reatores de urânio criam plutônio. Na época, isso era visto como algo positivo, pois ajudava potências nucleares a produzir material para bombas atômicas.

Uma alternativa, com recursos 3 x maiores que o urânio, é o elemento tório. Os subprodutos de um reator de tório também são muito improváveis de serem transformados em material para armas atômicas.

Source: ACS

Outra vantagem chave do tório é a possibilidade de produzir até 100 x menos resíduos, ao menos quando se usa um design de reator de tório de fluoreto líquido (um reator de tório de sal fundido).

Aqui, a China também lidera com um reator de tório que pode operar sem água, tornando‑o adequado para regiões desérticas. E com navios porta‑contenedores alimentados por um reator de tório revelado pela China State Shipbuilding Corporation (CSSC).

Reatores Rápidos / Criadores / Queimadores

Reatores rápidos dependem de “nêutrons rápidos” que não são desacelerados por moderadores como nos reatores nucleares clássicos. Isso permite projetar o reator de modo que use esses nêutrons rápidos para consumir elementos da família dos actinídeos (que inclui urânio e plutônio).

Source: Sciences Notes

Como o combustível dos reatores clássicos se transforma em uma mistura complexa de actinídeos de longa vida, essa classe de elementos é o principal problema nos resíduos nucleares.

Reatores queimadores transmutam a maior parte dos actinídeos problemáticos no combustível nuclear usado, tornando o resíduo processado menos ativo, 90‑98 % menos volumoso, e problemático apenas por décadas ou séculos em vez de milênios.

Esta categoria de reatores costuma ser classificada de acordo com seu sistema de resfriamento, que pode usar gás, sódio ou chumbo.

Embora classificados como 4^th geração, não se trata de uma tecnologia nova ou não testada. Notavelmente, a Phénix e a Superphénix francesas queimaram resíduos nucleares ao longo das décadas de 1970‑1990, antes de serem encerradas por custos operacionais e pressão política do partido Verde.

Versões modernas de reatores rápidos criadores incluem, por exemplo, o projetado mas não construído PRISM da GE‑Hitachi.

Reatores Modulares Pequenos (SMRs) & Microreatores

A maioria dos reatores nucleares é concebida como as grandes usinas que imaginamos como “usinas nucleares”.

Um novo tipo de design busca reduzir o tamanho das usinas nucleares para um porte que possa ser transportado por caminhão (SMR) ou até mesmo dentro de um contêiner padrão (microreatores).

Source: Nuscale

No geral, espera‑se que os SMRs sejam usados para alimentar a rede ou grandes processos industriais, enquanto os microreatores serão mais provavelmente empregados em áreas remotas, instalações militares e exploração espacial.

O tamanho menor e o design padronizado também devem facilitar a adoção dos SMRs por países menores.

Outra vantagem dos SMRs é que podem ser produzidos em série, como caminhões ou navios, ao invés do design customizado e único que a indústria costuma favorecer. Em teoria, isso deve gerar economias de escala e redução de custos.

Na prática, os custos podem ser maiores que o esperado, ao menos para os protótipos. Isso levou a uma queda no entusiasmo pelos SMRs, que talvez tenham sido supervalorizados.

Mesmo assim, os SMRs provavelmente se expandirão rapidamente, com projetos avançando, por exemplo, na Finlândia, Noruega, Polônia, EUA, Canadá, e Argentina.

Você pode ler mais sobre o status da tecnologia SMR em nosso artigo “Atualização sobre SMRs (Reatores Modulares Pequenos) – Ainda o Futuro da Energia Nuclear”

Estação Nuclear Flutuante

Embora talvez não seja tecnicamente de 4^th geração, estações de energia flutuantes são um conceito novo que oferece um afastamento radical do conceito usual de usina nuclear.

Principalmente defendida pela Rosatom da Rússia, este conceito difere de navios nucleares, como, por exemplo, alguns porta‑aviões.

Aqui, todo o propósito da embarcação é ser uma estação de energia, embora móvel e flutuante. Devido a restrições de tamanho, isso também poderia ser descrito como um SMR, embora muito grande.

Source: Power Technology

A aplicação desses conceitos foi no Ártico russo, alimentando cidades costeiras focadas principalmente em mineração e extração de petróleo & gás. Nesse ambiente, o “calor residual” da estação não é desperdiçado e pode ser usado para aquecimento distrital.

Uma aplicação mais ampla poderia levar energia nuclear a países em desenvolvimento sem experiência em operar tecnologia nuclear. A estação pode ser operada por seu fabricante, e a energia é vendida ao continente simplesmente “conectando‑a” à rede elétrica.

O conceito também poderia fornecer energia a ilhas e regiões remotas, bem como um sistema de socorro rápido em caso de desastres.

Por exemplo, Guiné já está buscando trabalhar com a Rússia nesse projeto.

Westinghouse e Prodigy também investigam a ideia, assim como Korea’s KSOE & Kepco, ou Seaborg dinamarquês combinando tecnologia de sal fundido com usinas marítimas.

Custos

Uma última crítica dirigida à energia nuclear é o custo.

Isso se deve, em grande parte, aos projetos nucleares mais recentes nos EUA e na Europa, que sofreram enormes estouros de custos. Por exemplo, a usina Vogtle na Geórgia acabou custando US$ 37 bi, dos quais US$ 20 bi são estouros de custo. Ou a usina Olkiluoto‑3 na Finlândia, que custou € 11 bi em vez dos € 3 bi inicialmente previstos.

O fato de Vogtle ter levado 14 anos para ser construída e Olkiluoto ter entrado em operação 12 anos após a estimativa inicial é amplamente responsável pelo aumento dos custos.

Mas isso não é fatal. No mesmo período, Bloomberg revelou que a China construiu 6 reatores nucleares por apenas US$ 17 bi.

O crescimento de custos no Ocidente está ligado principalmente a três fatores:

1. Maior carga regulatória.
   1. Embora parte disso se deva ao aumento da vigilância sobre a segurança, alguns têm denunciado isso como burocracia excessiva e obstáculos politicamente motivados para a indústria.
2. Custo crescente de capital.
   1. Como os custos das usinas nucleares são majoritariamente upfront de construção, custos de capital baixos reduzem drasticamente o preço final. Tipicamente, projetos nucleares chineses recebem empréstimos de baixo juros do Estado.
3. Poucos projetos.
   1. Se mais usinas forem construídas em sequência, os fabricantes podem padronizar a produção e produzir equipamentos em lote ou série, ao invés de designs customizados únicos a cada vez.
   2. Um fluxo mais constante de projetos também ajuda a treinar e reter pessoal qualificado.

Cada um desses problemas pode ser resolvido.

A carga regulatória excessiva pode ser reduzida, o capital pode ser mobilizado pelo governo. E mais projetos, aliados a uma política energética estável, reconstruirão a cadeia de suprimentos.

Empresas de Energia Nuclear

1. Cameco Corporation

A energia nuclear depende do fornecimento de urânio. O urânio não é um recurso muito raro, embora depósitos de alta concentração não sejam facilmente encontrados.

O mercado é dominado pela Kazatomprom no Cazaquistão e pela Cameco no Canadá. Existem outros produtores de urânio, mas esses dois são de longe os maiores e os que apresentam menores custos de produção. Como resultado, a Cameco estará no centro do fornecimento de matérias‑primas necessárias às usinas nucleares existentes e futuras.

Source: Cameco

Entretanto, a parte de mineração da Cameco representa apenas metade da história. Isso porque, em 2022, a Cameco decidiu adquirir o controle majoritário da Westinghouse, a principal construtora de usinas nucleares nos EUA, juntamente com a gigante de investimentos Brookfield.

Isso dá à Cameco acesso às receitas estáveis da Westinghouse provenientes da manutenção de usinas existentes e ao controle de grande parte da cadeia de suprimentos nuclear. Devido a regulamentações rígidas, essas peças e equipamentos serão necessários para qualquer nova usina, tradicional ou SMR.

Uma boa demonstração do potencial inovador da Westinghouse é seu design AP300 SMR recentemente revelado, que provavelmente será implantado na Eslováquia, Finlândia, e Suécia.

Assim, a Cameco é tanto uma aposta nos preços do urânio quanto na Westinghouse mantendo um controle sólido sobre o mercado de construção de usinas nucleares que antes dominava. Vale notar que a co‑propriedade com a Brookfield pode também ajudar, já que a empresa possui uma divisão massiva de geração de energia renovável/baixa emissão no formato de US$ 19 bi Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP )  (BEP).

2. Mirion Technologies, Inc.

Além dos reatores e das tecnologias de combustível, a geração de energia nuclear depende fortemente de muitos captadores, peças e outros equipamentos “menores” que, no entanto, precisam funcionar perfeitamente.

Uma dessas categorias é a detecção de radiação, principal negócio da Mirion (EUA). A regulação nuclear exige inspeções muito rigorosas da exposição à radiação de pessoal, do ambiente e da detecção precoce de qualquer vazamento ou contaminação potencial. O mesmo se aplica ao uso médico de compostos radioativos, como tratamento de câncer e imagiologia.

Source: Mirion

A empresa também atua em medições físicas para análises científicas e pesquisas, bem como em dispositivos de descomissionamento & descontaminação para a indústria de defesa, cibersegurança e serviços de treinamento. A empresa realizou IPO em 2020.

As receitas da Mirion cresceram de forma constante, sustentadas igualmente por seu segmento médico e por seus clientes industriais.

A Mirion é uma parte menos “glamourosa” da cadeia de suprimentos nuclear, monitorando e medindo radiação ao invés de criar novos designs de reatores, combustíveis de alta densidade ou aplicações militares. Isso não a torna menos interessante do ponto de vista financeiro.

Portanto, a Mirion é mais um tipo de ação “pá e picareta” que se beneficiará do renovado interesse e investimentos em energia nuclear. Também lucrará com o ainda alto ceticismo público sobre a energia nuclear, reforçando a exigência de sensores e monitores de radiação onipresentes, eficientes e confiáveis, fornecidos por fornecedores testados e aprovados.