Atualização sobre SMRs (Reatores Modulares Pequenos) – Ainda o Futuro da Energia Nuclear

Sonhos e Medos Nucleares

A energia nuclear é um tema controverso.

Primeiro, por razões racionais, devido ao seu aspecto de segurança, com a catástrofe de Chernobyl ou Fukushima como lembrete do que pode acontecer quando falha.

Segundo, pela associação menos racional com armas nucleares, bem como o medo de qualquer radiação, frequentemente impulsionado pela cultura pop e ficção científica.

Também tem sido vista como concorrente das energias renováveis “verdadeiras”, como vento e solar, e uma alternativa inferior a elas.

No entanto, é uma fonte de energia muito poderosa; de fato, é a mais densa disponível para a civilização humana, com um pequeno pellet de urânio capaz de substituir centenas de litros de petróleo, uma tonelada de carvão ou 17.000 pés cúbicos de gás.

Fonte: Energy.gov

É também uma fonte de energia muito baixa em carbono, fazendo alguns ativistas climáticos reconsiderarem sua visão sobre a energia nuclear. Isso é especialmente verdadeiro, pois a nuclear pode fornecer energia de base independentemente das condições climáticas ou da hora do dia, algo que as renováveis só conseguem fazer com enormes parques de baterias.

O Novo Nuclear

Recentemente, surgiu uma nova geração de defensores e engenheiros nucleares, pronta para criticar o caminho percorrido pela indústria até agora. As reclamações sobre a energia nuclear como está hoje são duas: tamanho e combustível.

Pequeno é Bonito?

Usinas nucleares tendem a ser projetos massivos. A produção está em gigawatts, os investimentos necessários chegam a dezenas de bilhões, e o tempo de construção leva anos, se não décadas. Isso causa alguns problemas:

• Dificuldade em encontrar financiamento fora do apoio governamental, devido ao grande intervalo de tempo entre o início do projeto e a data da primeira produção de energia.
• Não é adequado para pequenos países ou áreas remotas, e requer, em certa medida, que toda a rede elétrica seja adaptada à usina nuclear.
• Quando algo dá errado, em vez de um incidente localizado, pode tornar-se um desastre de alcance continental.
• Cada projeto massivo é um design experimental sob medida, impedindo a indústria de desenvolver qualquer tipo de padronização em seu processo de produção.

Esse último ponto se destaca especialmente após o fracasso de grandes usinas centralizadas nas últimas décadas, o que efetivamente congelou a indústria. Isso chegou a causar sua destruição total (e provavelmente permanente) em países como a Alemanha.

Quanto maior a usina, maior a produção de energia em um único local. Isso torna o resfriamento do reator ainda mais difícil e perigoso se algo der errado.

Portanto, a atenção agora se volta para pequenos reatores chamados SMR (Reatores Modulares Pequenos). Eles seriam produzidos em série, como navios ou máquinas, e transportados por caminhão até o local da usina. A parte modular vem do fato de que uma usina nuclear baseada em SMR incorporaria de 4 a 20 geradores de energia “modulares”, todos idênticos entre si.

Há até uma tendência de desenvolver micro-reatores para aplicações de nicho, como calor industrial, bases militares, comunidades remotas ou até mesmo bases lunares.

Fonte: IAEA

Os Designs Errados & Combustível?

Projetos

Outra discussão é o design das próprias usinas. Alguns especialistas argumentam que os designs refrigerados a água são inerentemente menos seguros, pois exigem um fluxo constante de água, dependente de um complexo sistema de bombas e tubulações, exatamente o que falhou no incidente de Fukushima.

Estão sendo desenvolvidos diferentes designs de resfriamento, com foco em segurança passiva, garantindo que um reator esfrie sem qualquer intervenção externa se algo der errado.

Escolha de Combustível

Outros criticam o foco no urânio como combustível. Por razões fundamentais da física, esse combustível foi preferido em relação a alternativas porque a energia produzida com urânio gera plutônio. E o plutônio é um componente chave das armas nucleares.

Entre 1950 e 1980, quando a maior parte da indústria nuclear nasceu, isso era visto como uma qualidade. Isso ocorreu após a Guerra Fria, e a necessidade de materiais para armas nucleares era considerada por muitas nações como requisito para sua própria segurança. Isso é algo muito menos aceito pela opinião pública hoje, especialmente com a ameaça de proliferação nuclear e terrorismo.

Além disso, o urânio é fundamentalmente um combustível mais arriscado, com maiores riscos de reações em cadeia descontroladas. Por isso, muitos entusiastas nucleares e startups agora defendem a exploração de reatores de tório.

Um Obstáculo na Inovação

Se você tivesse perguntado a qualquer especialista há apenas 1-2 anos, a maioria teria dito que acreditava que os SMRs seriam o futuro da indústria nuclear.

“Com os SMRs, abrimos todo um espectro de clientes.”

CEO da Rolls Royce

Mas com o recente cancelamento do Carbon Free Power Project da Nuscale, surgiu a questão se os SMRs podem ser competitivos em custo com as renováveis e a energia nuclear convencional. Ou a energia nuclear como um todo, considerando as dezenas de bilhões de dólares em estouro de custos das usinas nucleares “tradicionais” mais recentemente inauguradas na Finlândia e nos EUA.

Esse aumento de custos pode ser preocupante se não for uma situação idêntica para toda a indústria de energia, incluindo as renováveis.

É algo que investigamos em maior detalhe em nosso artigo O Colapso da Energia Renovável de 2023. Para resumir brevemente, fabricantes de turbinas eólicas e painéis solares, bem como construtores de usinas nucleares, sofreram de uma conjunção de problemas:

• Crescimento dos custos de commodities como metal, concreto e energia, todos necessários para projetos industriais.
• Inflação geral, que eleva o custo da mão de obra qualificada.
• Disrupções na cadeia de suprimentos, devido à pandemia, problemas nas rotas comerciais internacionais, e guerra comercial e sanções do Ocidente contra Rússia e China.
• Aumento das taxas de juros, elevando significativamente os custos em projetos intensivos em capital, como geração de energia.

Todos esses fenômenos prejudicam a capacidade dos produtores de energia, TODOS os produtores de energia, de oferecer usinas a um custo tão barato quanto o planejado anteriormente. Mas, a menos que planejemos não usar energia a partir de agora, isso é algo que precisará ser reavaliado.

Combustíveis fósseis, renováveis ou nuclear, todos terão os custos mais altos em um ambiente econômico de alta inflação e altas taxas. Portanto, a reação dos mercados ao “escolher” renováveis e SMR devido ao aumento de custos neste contexto não é realmente racional.

Apenas Começando

Preocupações sobre o cancelamento de plantas piloto provavelmente estão perdendo o ponto. O Carbon Free Power Project era, por definição, um projeto piloto.

SMRs’ cost reductions compared to other nuclear projects are expected to come from 2 sources:

1. Amortização dos custos de P&D ao longo de dezenas e centenas de usinas idênticas.
2. Fluxo de trabalho constante da linha de montagem, permitindo otimização e economia de escala.

Portanto, é provável que qualquer SMR seja relativamente caro nas suas primeiras 5 ou até 10 usinas. Só quando atingir plena velocidade os benefícios econômicos do design se manifestarão. É o mesmo que acontece com um carro protótipo, que custa mais por unidade do que um modelo bem estabelecido e produzido em massa.

Isso também é um fenômeno bem conhecido em indústrias inovadoras, chamado de “Vales da Morte”. Entre cada estágio, há um pico de entusiasmo, seguido por um pico de pessimismo. Investidores focados no longo prazo e investimentos públicos sustentam as indústrias inovadoras durante esses períodos negativos e fomentam o progresso a longo prazo.

Fonte: ThirdDerivative.org

E mesmo se o design específico da Nuscale provar ser muito caro, isso diz um pouco sobre sal fundido, tório, combustíveis HALEU ou barcaças nucleares (veja mais abaixo).

No geral, parece que a indústria começou a inovar novamente, provavelmente impulsionada pela crise energética desencadeada pela guerra na Ucrânia. Com as tensões aumentando no Oriente Médio, uma repetição da crise energética dos anos 1970 não é improvável e replicaria seu efeito na indústria nuclear, fazendo países como a França gerar 70% de sua eletricidade com energia nuclear.

Uma Seleção de Inovadores de SMR

Este artigo está analisando alguns dos designs inovadores de SMR, uma lista completa pode ser encontrada no site da World Nuclear Association.

NuScale Power Corporation (SMR)

(SMR )

NuScale é líder em um novo tipo de design de reator nuclear chamado Reatores Modulares Pequenos (SMRs).

O design principal da NuScale pode ser transportado por caminhões e produzirá 77 MWe por módulo, com até 12 módulos por usina concluída, totalizando quase 1 GW de potência nominal.

Fonte: Nuscale

Este design é pequeno o suficiente para ser implementado no local de uma usina de carvão desativada, permitindo reutilizar toda a infraestrutura de segurança e rede já construída. NuScale também foi o primeiro SMR a ser certificado pela Comissão Reguladora Nuclear dos EUA (NRC).

A empresa já garantiu contratos na Romênia. Também está considerando mais de 15 outros clientes potenciais comprometidos em implantar SMRs e mais de 120 clientes potenciais. Além disso, há clientes industriais como siderúrgicas que buscam descarbonizar suas operações e garantir fontes de energia baratas e confiáveis.

No entanto, está no centro de questionamentos sobre a viabilidade econômica dos SMRs, após seu Carbon Free Power Project com a Utah Associated Municipal Power Systems (UAMPS) ser cancelado devido ao aumento de custos. O preço das ações da empresa caiu drasticamente com a notícia, embora tenha se recuperado um pouco desde então.

General Electric (GE) / Hitachi (HTHIY)

(GE )

GE, em colaboração com a Hitachi, está desenvolvendo o reator modular pequeno BWRX-300. Ele aproveita a experiência das duas empresas em energia nuclear para criar este reator de 300 MW.

Fonte: GE

A GE foi selecionada para projetos piloto de SMR no Canadá pela Ontario Power Generation e pela SaskPower em Saskatchewan.

Nos EUA, tem um acordo com a Tennessee Valley Authority e está em discussão com várias outras empresas de serviços públicos.

Globalmente, foi selecionada para uma frota de 79 SMRs na Polônia, a serem implantados pela empresa Orlen até 2038. Também foi selecionada na Estônia, República Tcheca e Suécia, e está em discussão no Reino Unido e no resto do mundo para vendas adicionais.

O sucesso da GE/Hitachi na promoção do BWRX-300 é impressionante e pode ser o maior sucesso internacional na indústria de SMR. É provável que a popularidade do design não se baseie apenas em sua engenharia, mas também na reputação de suas empresas-mãe, sua rede de influência, bem como na certeza de apoio financeiro disponível, em comparação com pequenas startups.

Rolls-Royce Holdings plc (RYCEY)

Rolls-Royce não é apenas fabricante de carros de luxo, mas também líder em aeronáutica (notadamente motores a jato) e tecnologia avançada de engenharia.

A empresa busca se tornar a líder britânica em tecnologia SMR. Seu design fornece 470 MW por módulo.

Fonte: Rolls Royce

Rolls Royce está discutindo o implante de seus SMRs na Holanda. Também está em discussões na Suécia e Finlândia, bem como na República Tcheca (incluindo com fabricante de automóveis Skoda), e Polônia.

Rolls-Royce parece focada principalmente nos mercados europeus e aplicações industriais, provavelmente uma escolha inteligente considerando a crise energética que o continente enfrenta. Uma crise que pode piorar com o potencial fechamento do Canal de Suez para importações de energia, algo que discutimos em nosso artigo “Problemas no Suprimento de Combustíveis Fósseis – Crise de Transporte e Energia iminente“.

Westinghouse: Cameco (CCJ) and Brookfield Renewable Partners L.P. (BEP)

(BEP )

A Westinghouse Nuclear tem sido pioneira na energia nuclear dos EUA desde o início da indústria. Recentemente foi adquirida conjuntamente pela mineradora de urânio Cameco (49%) e pela enorme utilidade de baixo carbono BEP (51%), parte da ainda maior corporação de investimentos Brookfield (BN), com US$ 850 bilhões sob gestão.

O design AP300 SMR da Westinghouse é uma versão reduzida de seus reatores convencionais AP1000. Atualmente, 4 AP1000 operam na China, com mais 6 em construção na China e 2 na Geórgia, EUA (o projeto Vogtle da Geórgia também ficou infame por atrasos e estouros de custos), além de um projeto para 3-6 reatores na Polônia e 6 na Índia.

Com capacidade de potência de 990 MW, este design SMR está na linha entre reatores convencionais e “pequenos”.

Fonte: Westinghouse

Como não está listada diretamente, para obter uma parte da Westinghouse, os investidores precisarão decidir se estão mais interessados em exposição à atividade de energia renovável da BEP ou à atividade de mineração de urânio da Cameco.

No entanto, a Westinghouse é um gigante na energia nuclear, com uma longa história de definir padrões para a indústria, notadamente o design de água pressurizada que dominaria a indústria nuclear por décadas.

TerraPower

A empresa de capital fechado é notoriamente apoiada por Bill Gates. Enquanto grandes corporações e a Nuscale buscam principalmente melhorar o design convencional das usinas nucleares por meio de mudança de tamanho e método de produção, a TerraPower procura mudá-lo radicalmente.

Sua principal inovação é um reator de sal fundido, que a empresa está aproveitando em parceria com a GE-Hitachi para desenvolver o reator Natrium, um reator de 345 MWe. A tecnologia deve ser implantada em uma usina de carvão em desativação em Wyoming. Também está trabalhando no design do Reator Rápido de Cloreto Fundido (MCFR).

Os sais fundidos atuam tanto como combustível, contendo os elementos radioativos, quanto como refrigerante. Isso pode torná-lo inerentemente mais seguro, pois temperaturas muito altas fazem os sais expandirem, reduzindo espontaneamente a reação nuclear e levando a temperaturas mais baixas.

Também permitiria reabastecimento contínuo em vez de ter que desligar o reator a cada 18-24 meses. Poderia ainda aceitar combustível de urânio em vários graus de enriquecimento, tornando-o mais flexível.

Como os nêutrons não são desacelerados como em um reator nuclear convencional, isso deve tornar a reação muito mais eficiente.

Fonte: Terrapower

Mesmo essas inovações radicais em uma indústria muito conservadora e cautelosa não são suficientes para a TerraPower. Ela está desenvolvendo seu “objetivo de longo prazo” do design do Reator de Onda Viajante (TWR®), que poderia operar com urânio não enriquecido por séculos e ser 30 vezes mais eficiente que os designs convencionais.

A indústria de energia nuclear, cautelosa para não repetir o erro dos derretimentos de reatores passados, está atualmente extremamente cética em relação a quaisquer designs novos e radicais. Isso pode tanto favorecer quanto prejudicar a TerraPower.

Por um lado, sua abordagem radical e inovadora pode criar um design único e muito mais seguro. Por outro lado, podem enfrentar uma batalha difícil para convencer as autoridades regulatórias nucleares preocupadas a aceitar sequer o lançamento experimental de seus reatores nucleares.

Terrestrial Energy

Outra empresa de sal fundido é a Terrestrial Energy, com seu Reator Integral de Sal Fundido.

A empresa afirma resolver uma questão chave dos designs de reatores de sal fundido relacionada à vida útil do moderador de grafite. Ao tornar o núcleo do reator uma unidade totalmente integrada, ele se torna facilmente substituível, com vida útil de 7 anos.

Este design também se beneficia das mesmas vantagens de outros reatores de sal fundido, como maior segurança e maior eficiência graças a temperaturas mais altas.

Moltex Energy

Moltex é uma empresa britânica que desenvolve um reator que queima resíduos nucleares, um tipo de reator também conhecido como Reator de Sal Estável – Wasteburner (SSR-W) em Point Lepreau, no Canadá.

O design pode mudar sua produção de energia rapidamente, tornando-o um complemento perfeito para as renováveis intermitentes.

“Esta tecnologia nuclear avançada tem a flexibilidade de usinas a gás, mas gera eletricidade a um custo menor e sem emissões de carbono,” MoltexFLEX

O reator não tem partes móveis e resfria passivamente, exigindo muito menos supervisão que um reator convencional.

Como a Moltex depende de resíduos nucleares, nunca poderia substituir totalmente os designs padrão ou SMR. Contudo, pode ocupar um nicho único ao produzir energia barata enquanto reduz resíduos nucleares e fornece uma fonte de energia de baixo carbono, muito reativa e flexível, sob demanda.

Rosatom

A empresa estatal nuclear russa tem sido líder na indústria por décadas. Foi uma das primeiras a desenvolver algo semelhante a um pequeno reator. Atualmente, não parece estar realmente focada no desenvolvimento de SMRs, exceto por energia nuclear marítima.

A ideia já implantada é instalar em um  navio uma usina nuclear menor, semelhante à que alimenta submarinos nucleares ou porta-aviões. Essa usina flutuante pode então ser implantada em áreas que a necessitam, no caso da Rússia, principalmente cidades e instalações industriais no Oceano Ártico.

Este design também pode ser produzido em série em estaleiros dedicados, já experientes na construção de navios de guerra nucleares.

Fonte: Power Technology.com

Com 80% da população mundial vivendo em regiões costeiras, esse design pode se tornar popular. Por enquanto, o modelo de negócios previsto seria Rosatom possuir e operar a barcaça de energia, e vender a eletricidade, inclusive em países estrangeiros.

Também oferece um certo nível de flexibilidade, com a possibilidade de mover uma usina para áreas atingidas por desastres como furacões, ou para regiões remotas com pouca infraestrutura energética.

Seaborg

O conceito da Rosatom de barcaça nuclear / estação de energia flutuante não é exclusivo da Rússia, e considerando a situação geopolítica, é improvável que o design russo seja popular em países ocidentais e seus aliados no futuro previsível.

É aqui que a empresa dinamarquesa Seaborg entra. A empresa está desenvolvendo um reator compacto de sal fundido que também é uma usina flutuante de até 800 MW.

Fonte: Seaborg

O design marítimo dos reatores Seaborg o torna adequado para nações costeiras, com discussões em andamento com Indonésia e Noruega.

A Seaborg também está trabalhando com a líder global em construção naval Samsung Heavy Industries para desenvolver usinas nucleares flutuantes combinadas com plantas de hidrogênio e amônia.

Assim, a Seaborg poderia se tornar parte integral de uma economia de hidrogênio e amônia impulsionada por nuclear, como descrito em nosso artigo “O Outro Combustível de Hidrogênio – Top 5 Ações de Amônia Verde”.

X-Energy

A inovação da X-Energy em energia nuclear é usar um tipo diferente de combustível do urânio enriquecido convencional, o combustível TRISO-X.

O combustível TRISO-X usa “Uranium de Baixo Enriquecimento de Alta Análise” (HALEU), permitindo períodos de operação mais longos, o que deve reduzir custos. Seu design também deve incorporar ao próprio combustível o sistema de contenção, aumentando drasticamente seu perfil de segurança.

Seu reator Xe-100 é um Reator de Gás de Alta Temperatura (HTGR), um design de 80 MWe considerado parte da 4^ª geração de usinas nucleares. Esses reatores alegam um perímetro de segurança de 400 m (contra 10 milhas para designs convencionais).

Os designs da X-Energy podem ter vantagens técnicas, mas também podem ser vulneráveis a questões geopolíticas. O combustível HALEU é fornecido principalmente aos EUA pela Rosatom da Rússia, e isso pode estar em risco devido à guerra na Ucrânia. Suprimentos alternativos da Centrus dos EUA ou da Orano da França podem levar de 5 a 10 anos para se desenvolver, colocando em risco o fornecimento de combustível nuclear da empresa.

A empresa anunciou em outubro de 2023 que rescindiu seu acordo com a SPAC Ares Acquisition Corporation para que a X-Energy se tornasse listada publicamente.

China

Por muito tempo importadora de tecnologia nuclear da Rússia e do Ocidente, a China está rapidamente se tornando uma inovadora líder na indústria.

O país possui 55 usinas nucleares ativas, tem 22 em construção e outras 70 planejadas. No total, anunciou em 2021 sua ambição de construir 150 novas usinas. Também alcançou a primeira produção comercial mundial de uma usina nuclear de 4^ª geração em dezembro de 2023.

Além das usinas grandes convencionais, empresas chinesas também estão desenvolvendo um reator de tório refrigerado a ar que seria ideal para áreas áridas sem água suficiente para designs tradicionais de água pressurizada.

Há também o desenvolvimento de um design compacto de sal fundido de tório para alimentar navios porta-contêineres sem emissões de carbono ou necessidade de reabastecimento. Isso poderia tornar realidade o sonho de navios nucleares comerciais primeiro concebido no programa “átomo para a paz” dos anos 1960, o US Savannah. Talvez simbolicamente, o US Savannah foi anunciado para desativação em janeiro de 2023

US Savannah – Fonte: ANS

Copenhagen Atomics

A empresa dinamarquesa busca construir um reator de sal fundido alimentado por tório que caiba em contêineres padronizados de 40 pés.

A empresa afirma que seu reator pode estar comercialmente disponível por US$ 100.000 ou para locação, entregando 100 MW de potência térmica, com temperatura de 560 °C. O primeiro produto de demonstração está previsto para 2025.

Fonte: Copenhagen Atomics

Até 2028, a empresa também espera ter construído seu primeiro queimador de resíduos.  Ele será capaz de receber resíduos radioativos que durariam 100.000 anos e transformar o período perigoso dos resíduos em apenas 300 anos, enquanto produz energia.

Com foco em todas as inovações nucleares mais avançadas ao mesmo tempo (tório, sais fundidos, queimador de resíduos, reator de tamanho de contêiner), a Copenhagen Atomics provavelmente é uma das startups mais ambiciosas da indústria nuclear. Portanto, grande parte de seu sucesso ou fracasso futuro dependerá de quão rapidamente o marco regulatório puder mudar para acolher designs nucleares radicalmente novos, mais do que apenas as conquistas técnicas da empresa.