Pequenos reatores modulares (SMR): panorama dos projetos nucleares de 2023

Sonhos e Medos Nucleares

A energia nuclear é um tema controverso. Este artigo examina os pequenos reatores modulares a partir do contexto do fim de 2023; os projetos e cronogramas de então não são garantias de execução atuais.

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.

Outra preocupação envolve a ligação de certas tecnologias às armas nucleares e o receio da radiação. A proliferação de armas é uma questão real, enquanto o risco radiológico deve ser avaliado segundo a dose e a exposição.

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

O combustível nuclear tem densidade energética muito elevada. Segundo a comparação do Departamento de Energia dos EUA, uma pequena pastilha de combustível de urânio pode produzir energia equivalente a cerca de uma tonelada de carvão, centenas de litros de petróleo ou 17.000 pés cúbicos de gás natural.

Fonte: Energy.gov

A energia nuclear apresenta baixas emissões ao longo do ciclo de vida e pode produzir continuamente, sem depender do vento ou do horário. A geração eólica e solar variável pode ser apoiada por armazenamento, interligações, gestão da demanda e produção flexível. Nem todas as fontes renováveis são intermitentes, e as baterias não são a única solução.

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.
• Uma grande unidade pode ser inadequada para uma rede elétrica pequena ou região remota e exigir investimentos significativos na rede.
• Acidentes graves podem ter efeitos além da instalação; a extensão depende do evento, do projeto e das medidas de proteção.
• Adaptações de cada empreendimento e exigências locais podem limitar os ganhos da padronização, embora também existam projetos padronizados de grandes reatores.

Atrasos e aumentos de custos em alguns grandes projetos dificultaram novos investimentos. O fechamento dos últimos reatores de geração elétrica da Alemanha em 2023 foi uma decisão política de abandono dessa fonte, não o desaparecimento de toda a atividade e do conhecimento nuclear do país.

Maior potência implica maior quantidade de calor a remover. A segurança depende, porém, do conjunto do projeto e dos sistemas de resfriamento, não apenas do tamanho.

Os pequenos reatores modulares (SMR) buscam ampliar a fabricação de componentes em instalações industriais e o transporte de unidades prontas ao local. A AIEA normalmente utiliza o limite de 300 MWe por unidade. Uma usina pode ter um ou vários módulos; quatro a vinte unidades não são exigência universal, e nem todo projeto pode ser transportado inteiro por caminhão.

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

Projetos e combustíveis inadequados?

Projetos

A segurança passiva utiliza circulação natural, gravidade e outros processos físicos para remover calor sem eletricidade externa ou intervenção ativa. Fukushima demonstrou o perigo da perda de energia e resfriamento. Projetos refrigerados a água também podem empregar sistemas passivos; o uso de água não determina sozinho sua segurança.

Diferentes sistemas de resfriamento são desenvolvidos para lidar com operação normal e acidentes. Seu desempenho precisa ser demonstrado no projeto específico.

Escolha de Combustível

A escolha do urânio teve motivos técnicos, históricos e econômicos. Nos reatores, parte do urânio-238 pode transformar-se em plutônio, exigindo salvaguardas e controle de materiais. A geração elétrica civil, contudo, não tem necessariamente como objetivo produzir material para armas.

Entre 1950 e 1980, portanto durante a Guerra Fria, alguns países vincularam programas nucleares a necessidades militares. A não proliferação, a fiscalização de materiais e a proteção contra terrorismo continuam sendo exigências importantes.

O tório é estudado como material fértil alternativo, mas o tório natural não é, por si só, combustível físsil: precisa ser convertido em urânio-233 e requer material físsil para iniciar o processo. Ele não torna automaticamente um reator mais seguro que outro a urânio; o projeto e o ciclo de combustível são decisivos.

Um Obstáculo na Inovação

No início da década de 2020, muitos defensores da tecnologia consideravam os SMR uma direção importante para o futuro nuclear.

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

CEO da Rolls Royce

A NuScale e a UAMPS encerraram o Carbon Free Power Project em novembro de 2023 porque não havia adesão suficiente de clientes para continuar. Isso reacendeu o debate sobre os custos dos SMR. Grandes projetos convencionais também enfrentaram atrasos e aumentos de custos na Finlândia e nos EUA.

Ao mesmo tempo, inflação e condições de financiamento pressionavam outros projetos de energia, com efeitos diferentes conforme a tecnologia e os contratos.

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.

Matérias-primas, mão de obra, cadeias de suprimentos e juros afetaram os orçamentos de muitas usinas, exigindo renegociações e novos cálculos.

Na visão do artigo, fatores comuns de custo precisam ser avaliados de maneira consistente entre energia fóssil, renovável e nuclear. Isso não elimina os riscos particulares de cada tecnologia.

Apenas Começando

O Carbon Free Power Project seria uma das primeiras aplicações comerciais desse modelo. Seu cancelamento não determina a viabilidade de todos os SMR, mas é um alerta relevante sobre custos e demanda.

As reduções de custos esperadas com a produção em série dependem principalmente de duas fontes:

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.

As primeiras unidades podem ser caras devido ao desenvolvimento, licenciamento e início da produção. Aprendizado e fabricação em série podem reduzir custos, mas não existe garantia de que isso ocorra depois da quinta ou décima usina.

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

Mesmo que um modelo da NuScale seja caro demais, isso não determina automaticamente o futuro de projetos com sais fundidos, tório, HALEU ou usinas flutuantes (veja abaixo).

A crise energética após a guerra na Ucrânia reforçou o interesse na segurança do abastecimento e na tecnologia nuclear. As crises do petróleo dos anos 1970 também influenciaram decisões nacionais, como a expansão nuclear francesa. Uma nova crise não necessariamente produziria os mesmos efeitos em todos os países.

Uma Seleção de Inovadores de SMR

Este artigo apresenta alguns desenvolvedores de SMR; uma visão mais ampla pode ser encontrada na World Nuclear Association.

NuScale Power Corporation (SMR)

SMR Gráfico de preços

A NuScale desenvolve pequenos reatores modulares (SMR).

O modelo promovido em 2023 previa 77 MWe por módulo e configurações de até doze unidades, totalizando 924 MWe nominais. O transporte de componentes pré-fabricados busca diminuir o trabalho no canteiro.

Fonte: Nuscale

Após estudos e licenças adequados, uma usina SMR pode aproveitar parte da infraestrutura de uma antiga termelétrica a carvão. Em janeiro de 2023, a NRC certificou o projeto original da NuScale de 50 MWe por módulo. O modelo de 77 MWe recebeu aprovação de projeto padrão em 2025; isso não equivale, por si só, à licença de construção de uma usina específica.

A empresa havia anunciado compromissos financeiros e desenvolvimento de projeto na Romênia. Os números de mais de 15 interessados descritos como comprometidos e mais de 120 possíveis clientes eram estimativas comerciais da época, não apenas encomendas definitivas. Entre os potenciais usuários estavam clientes industriais como siderúrgicas que buscam descarbonizar suas operações e garantir fontes de energia baratas e confiáveis.

O encerramento do projeto UAMPS em 2023 pressionou a ação e suscitou dúvidas sobre a economia do empreendimento inicial. Essa descrição da reação de mercado refere-se àquele período.

General Electric (GE) / Hitachi (HTHIY)

GE Gráfico de preços

GE, em colaboração com a Hitachi, está desenvolvendo o reator modular pequeno BWRX-300, de aproximadamente 300 MW elétricos. A atividade nuclear da GE passou à GE Vernova na separação de 2024. A atual ação GE representa a GE Aerospace, não uma participação direta na GE Vernova.

Fonte: GE

A Ontario Power Generation e a SaskPower haviam escolhido a tecnologia para seus respectivos projetos canadenses, em diferentes fases de desenvolvimento e licenciamento.

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

Na Polônia, discutia-se em 2023 a ambição de até 79 unidades até 2038, não uma frota inteira já encomendada ou construída. Havia escolhas tecnológicas e negociações também na Estônia, Tchéquia, Suécia e Reino Unido. Selecionar uma tecnologia não significa sempre uma decisão final de investimento.

O interesse pelo BWRX-300 pode refletir tanto a tecnologia quanto a experiência e as parcerias dos desenvolvedores. A reputação das empresas não garante o financiamento ou a conclusão de cada projeto.

Rolls-Royce Holdings plc (RYCEY)

Rolls-Royce (RRU.DE ) é um grupo de motores aeronáuticos e engenharia avançada. Trata-se de uma pessoa jurídica distinta da Rolls-Royce Motor Cars, fabricante de automóveis pertencente ao BMW Group.

A Rolls-Royce SMR desenvolvia um modelo britânico modular de aproximadamente 470 MWe. Ele supera o limite usual de 300 MWe da AIEA, embora a empresa utilize a designação SMR.

Fonte: Rolls Royce

Rolls Royce está discutindo a implantação de seus SMR nos Países Baixos. Também está em discussões na Suécia e Finlândia, bem como na República Tcheca (incluindo com a empresa de engenharia nuclear Škoda JS), e Polônia.

O foco europeu e industrial da Rolls-Royce SMR se relacionava à segurança energética. Riscos de transporte marítimo foram discutidos em nosso artigo ”Problemas no Suprimento de Combustíveis Fósseis – Crise de Transporte e Energia iminente”. O fechamento do Canal de Suez era um cenário de risco, não um acontecimento garantido.

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

BEP Gráfico de preços

A aquisição da Westinghouse foi concluída em 7 de novembro de 2023: a Cameco passou a deter 49%, enquanto um grupo liderado pela Brookfield, com a Brookfield Renewable e parceiros institucionais, ficou com 51%. O grupo Brookfield mais amplo (BN) administrava então cerca de US$ 850 bilhões.

O AP300 utiliza tecnologia do AP1000, de maior porte. No fim de 2023, havia quatro AP1000 operando na China e a unidade Vogtle 3 nos EUA; Vogtle 4 ainda não estava em operação comercial. Existiam projetos adicionais na China e planos para Polônia e Índia. Vogtle ficou infame por atrasos e estouros de custos. Nem todas as unidades propostas estavam em construção.

O AP300 foi projetado para cerca de 300 MWe elétricos e 900 MW térmicos, não 990 MW de eletricidade.

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 TerraPower é uma empresa de capital fechado apoiada por Bill Gates. Além de mudar tamanho e fabricação, desenvolve tecnologias distintas de reatores e armazenamento.

O Natrium é um reator de nêutrons rápidos refrigerado a sódio líquido, desenvolvido em parceria com a GE Hitachi, com potência elétrica básica de 345 MWe. Um sistema separado de armazenamento térmico em sais fundidos permite aumentar temporariamente a geração elétrica. A demonstração foi planejada para uma região carbonífera em transição no Wyoming. Outro programa é o Reator Rápido de Cloreto Fundido (MCFR).

No MCFR, o material físsil fica em um sal líquido que também transporta calor. O combustível do Natrium não funciona assim. A expansão térmica e outras realimentações podem ajudar a controlar a reação, mas a segurança depende da avaliação do sistema completo.

Alguns modelos de combustível líquido buscam manejo flexível ou alimentação sem as mesmas paradas dos reatores convencionais. Abastecimento contínuo e aceitação de qualquer enriquecimento não são características automáticas de todo reator de sal fundido nem do Natrium.

Reatores rápidos não moderam os nêutrons como os reatores térmicos convencionais. Isso pode melhorar o aproveitamento de certos materiais, mas não aumenta automaticamente a eficiência de conversão em eletricidade nem reduz o custo.

Fonte: Terrapower

A TerraPower também estudou o Reator de Onda Viajante (TWR), visando aproveitar melhor, entre outros materiais, o urânio empobrecido. Alegações de aproveitamento muitas vezes superior são metas de desenvolvimento, não prova de um reator disponível operando por séculos sem uma carga inicial físsil.

Novos projetos precisam demonstrar segurança por testes e análises perante os reguladores. Isso aumenta as exigências de desenvolvimento e licenciamento, sem significar rejeição universal à inovação.

A TerraPower pode beneficiar-se de avanços técnicos, mas também precisa superar riscos de financiamento, combustível, suprimentos e licenciamento antes da operação comercial.

Terrestrial Energy

A Terrestrial Energy (IMSR ) desenvolve o  Reator Integral de Sal Fundido (IMSR).

A empresa pretende lidar com o envelhecimento do moderador de grafite substituindo uma unidade integrada do núcleo aproximadamente a cada sete anos. A troca é do núcleo e de seus componentes integrados, não de toda a usina.

Temperaturas maiores podem favorecer a eficiência e aplicações de calor industrial. As vantagens de segurança e custo precisam ser demonstradas no projeto específico.

Moltex Energy

A Moltex desenvolve um reator que utiliza combustível obtido de material nuclear usado e reciclado, denominado Stable Salt Reactor – Wasteburner (SSR-W). O projeto canadense está associado a Point Lepreau, em New Brunswick.

A combinação do SSR-W, do processo de reciclagem WATSS e do armazenamento térmico GridReserve busca fornecer eletricidade flexível para complementar a geração eólica e solar.

Um projeto distinto é o reator FLEX da MoltexFLEX, cujos objetivos incluem produção flexível, de baixas emissões e custos competitivos.

MoltexFLEX

A circulação e o resfriamento passivos podem reduzir a necessidade de componentes ativos em certos sistemas. Isso não significa que toda a usina não tenha partes móveis ou dispense supervisão.

O combustível reciclado pode gerar energia e reduzir certos materiais de longa duração, mas permanecem as exigências de reprocessamento, gestão de resíduos e licenciamento. Nem todo resíduo radioativo desaparece.

Rosatom

A Rosatom tem experiência com reatores pequenos e navais. Além das usinas flutuantes, desenvolve projetos terrestres, como o RITM-200N na Iacútia.

A usina flutuante Akademik Lomonosov iniciou operação comercial em 2020 com dois reatores de 35 MWe cada. Atende comunidades e instalações industriais remotas no Ártico russo.

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

Fonte: Power Technology.com

Regiões costeiras podem ser um mercado para usinas flutuantes, mas a afirmação de que abrigam 80% da população mundial não é sustentada sem definir a zona costeira. Um modelo de negócio proposto seria a Rosatom possuir e operar a usina e vender eletricidade também a outros países.

A transferência de uma usina flutuante exige um local preparado. Seu uso após desastres depende de licenças, segurança, atracação e conexão à rede; não é uma solução emergencial automaticamente imediata.

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.

A dinamarquesa Seaborg desenvolvia reatores compactos de sais fundidos para usinas flutuantes. As propostas de até 800 MW correspondiam à potência conjunta de vários módulos, não a um único reator.

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 X-energy (XE ) desenvolve o combustível TRISO-X para seus reatores.

O TRISO-X continua utilizando urânio enriquecido: HALEU contém mais de 5% e menos de 20% de urânio-235. Camadas protetoras em pequenas partículas retêm produtos de fissão a altas temperaturas. Elas não substituem todas as demais funções de segurança da usina.

O Xe-100 é um reator de alta temperatura refrigerado a gás, com cerca de 80 MWe por módulo, da quarta ^geração. A empresa menciona uma zona de planejamento de emergência de aproximadamente 400 metros, em comparação com cerca de dez milhas usuais para grandes reatores americanos. Isso é uma abordagem específica de licenciamento, não um limite geral de risco zero.

Em 2023, a disponibilidade de HALEU era um risco relevante. A dependência de fornecedores russos gerava preocupação após a guerra na Ucrânia. A Centrus produziu a primeira quantidade americana de HALEU em novembro de 2023, mas ampliar a capacidade comercial exigia mais tempo e investimento. A antiga estimativa de cinco a dez anos não é um cronograma atual garantido.

A empresa anunciou em outubro de 2023 o encerramento do acordo com a Ares Acquisition Corporation para a listagem por SPAC. Posteriormente, a X-energy realizou uma oferta pública inicial separada em 2026, com símbolo XE no Nasdaq. A cotação atual não altera o cancelamento do acordo de 2023.

China

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

Os números citados em 2023 — cerca de 55 reatores em operação, 22 em construção e 70 planejados — referiam-se a unidades de reatores, não a igual número de locais com várias unidades. Relatos de 2021 mencionavam a ambição de construir 150 novos reatores. Em dezembro de 2023 começou a operação comercial do HTR-PM, reator refrigerado a gás de alta temperatura, demonstrando tecnologia de quarta ^geração.

A China desenvolveu separadamente um reator experimental de sais fundidos baseado em tório. O tório descreve o ciclo de combustível, não o método de refrigeração; esse projeto não deve ser confundido com o HTR-PM.

Foi apresentado também um conceito de reator de sais fundidos para navios porta-contêineres, com longos intervalos de combustível e baixas emissões operacionais como objetivos. Isso não demonstrava um navio pronto para operar indefinidamente sem combustível. Recorda as ambições do programa Átomos para a Paz e do N.S. Savannah, dos anos 1960. Em 2023 prosseguia o desmantelamento da instalação nuclear do Savannah, décadas após sua retirada de serviço.

US Savannah – Fonte: ANS

Copenhagen Atomics

A Copenhagen Atomics desenvolve tecnologia de sais fundidos com ciclo de tório e fabricação modular. A descrição de 2023 previa uma unidade em contêiner de 40 pés, a aproximadamente 560 °C; eram características do projeto em desenvolvimento.

A potência prevista era de 100 MW térmicos, não igual produção elétrica. A demonstração esperada em 2025 era uma previsão. O preço de US$ 100.000 por reator completo não encontra apoio nas informações oficiais atuais: a empresa menciona meta de US$ 50 milhões por unidade de 100 MWth, além de taxa anual de serviços e custos separados da instalação. Preços e datas são metas empresariais.

Fonte: Copenhagen Atomics

A empresa também pretendia desenvolver um reator de aproveitamento de resíduos até 2028. Separação e transmutação de determinados isótopos podem reduzir a radiotoxicidade de longa duração, mas não tornam automaticamente todos os resíduos perigosos por 100.000 anos inofensivos após 300 anos. Era uma meta de desenvolvimento, não uma usina já em operação.

Combinar tório, sais fundidos, aproveitamento de resíduos e produção modular é ambicioso. O êxito depende de demonstração técnica, materiais, economia, financiamento e licenciamento, não apenas da mudança regulatória.