O que é reator de água supercrítico – SCWR – Definição

Reator Supercrítico de Água – SCWR

O reator de água supercrítico (SCWR) é um conceito de reator de geração IV, que é operado a pressão supercrítica (ou seja, superior a 22,1 MPa). O termo supercrítico neste contexto refere-se ao ponto crítico termodinâmico da água (T _CR = 374 ° C; p _CR = 22,1 MPa), e não deve ser confundido com a criticidade do núcleo do reator , que descreve mudanças na população de nêutrons da o núcleo do reator .

O reator de água supercrítico pode ser operado como um reator térmico ou como um reator de nêutron rápido , dependendo do projeto do núcleo. O conceito de reator supercrítico de água pode ser baseado em vasos de pressão clássicos como em PWRs comerciais ou em tubos de pressão como em reatores CANDU. O projeto de vaso de pressão de reatores supercríticos de água é desenvolvido amplamente na UE, EUA, Japão, Coréia e China, enquanto o projeto de canal de pressão é desenvolvido principalmente no Canadá e na Rússia. O design do vaso de pressão permite o uso de um layout de circuito de alta pressão tradicional. O projeto do canal de pressão permite os principais recursos da remoção passiva de calor por acidente e decaimento por radiação e convecção dos canais distribuídos, mesmo sem resfriamento ativo e derretimento de combustível e uso de fluxos de reatores de várias passagens, possibilitando o reaquecimento e o superaquecimento.

Para projetos de vasos de pressão e tubos de pressão, foi previsto um ciclo de vapor único, omitindo qualquer recirculação de refrigerante no interior do reator. É semelhante ao dos reatores de água fervente , o vapor será fornecido diretamente à turbina a vapor e a água de alimentação do ciclo de vapor será fornecida de volta ao núcleo.

Assim como o reator de água supercrítico pode usar água leve ou água pesada como moderador de nêutrons . Como pode ser visto, existem muitos projetos de SCWR, mas todos os SCWRs têm uma característica fundamental, que é o uso de água além do ponto crítico termodinâmico como refrigerante primário. Como esse recurso permite aumentar a temperatura de pico , os reatores supercríticos de água são considerados um avanço promissor para as usinas nucleares devido à sua alta eficiência térmica (~ 45% vs. ~ 33% para as LWRs atuais).

Vantagens e desafios dos SCWRs

Como pode ser deduzido de seu nome, a principal característica do SCWR é o uso de água além do ponto crítico termodinâmico (T _CR = 374 ° C; p _CR = 22,1 MPa) como refrigerante primário. Os projetos SCWR têm características únicas que oferecem muitas vantagens em comparação com os reatores de água leve atuais (LWRs).

• Alta eficiência térmica. Como os SCWRs fornecem vapor supercrítico a pressões e temperaturas muito mais altas do que nas LWRs convencionais, elas alcançarão uma eficiência termodinâmica mais alta da usina (~ 45% vs. ~ 33% para as LWRs atuais).
• Caudal mássico do líquido de refrigeração mais baixo.  A taxa de fluxo de refrigerante do reator do SCWR é muito menor que a do BWR e do PWR, porque o aumento da entalpia no núcleo é muito maior , o que resulta em componentes de baixa capacidade do sistema primário. Assim, as bombas de refrigeração, tubulações e outros equipamentos de suporte ficam menores. Além disso, as únicas bombas que acionam o líquido de refrigeração em condições operacionais normais são as bombas de água de alimentação e as bombas de extração de condensado.
• A maior entalpia de vapor permite diminuir o tamanho do sistema de turbinas e, assim, reduzir os custos de capital da ilha convencional.
• Menor estoque de refrigerante. O estoque de refrigerante é menor, o que reduz o tamanho da contenção com piscinas de supressão de pressão.
• Como a água supercrítica não sofre uma mudança de fase e existe em uma única fase termodinâmica, a crise de ebulição (ou seja, saída da ebulição nucleada – DNB ou secagem ) não pode ocorrer .
• Com um ciclo direto de refrigerante supercrítico, componentes como secadores a vapor, separadores e geradores de vapor são totalmente omitidos, reduzindo o número de componentes principais e eliminando os custos associados.
• Muitos dos componentes (por exemplo, turbina) são prontamente desenvolvidos e disponibilizados por usinas de energia supercrítica de combustíveis fósseis.

Espera-se que a combinação de tecnologia avançada de reator resfriado a água e tecnologia avançada de fósseis supercríticos resulte em um conceito de reator que possa ser usado para gerar eletricidade com carga base de maneira econômica e eficiente. Esse recurso também torna o SCWR um conceito muito atraente para empresas de serviços públicos, especialmente aqueles que têm experiência com reatores resfriados a água e usinas fósseis supercríticas.

Por outro lado, vários desafios devem ser resolvidos antes que as primeiras usinas desse tipo possam ser construídas:

• Os materiais de revestimento precisam suportar temperaturas mais altas (600-650 ° C em condições operacionais normais) do que nas LWRs atuais.
• Os fenômenos de transferência de calor da superfície do revestimento para o fluido supercrítico devem ser bem compreendidos. Especialmente no caso de transitórios com despressurização de condições supercríticas para subcríticas.
• Devido ao menor estoque de refrigerante, a secagem do núcleo progride mais rapidamente em caso de perda de acidente com o refrigerante (LOCA).

Características dos SCWRs

Os SCWRs operam a pressões acima da pressão crítica, as propriedades da água no reator mudam gradualmente e continuamente daquelas que normalmente associamos a um líquido (alta densidade, pequena compressibilidade) e às de um gás (baixa densidade, grande compressibilidade) sem uma mudança de fase . Não há mudança na fase da água no núcleo. Por outro lado, propriedades físicas como densidade, calor específico, entalpia específica sofrem alterações significativas, principalmente na faixa de temperatura da região pseudocrítica (para 25 MPa entre 372 ° C e 392 ° C). Por exemplo,

• a densidade da água supercrítica na entrada e na saída é de cerca de 777 kg / m ³ (por 25MPa e 280 ° C) e 90 kg / m ³ (por 25MPa e 500 ° C),
• a entalpia específica da água supercrítica na entrada e na saída é de cerca de 1230 kJ / kg (para 25MPa e 280 ° C) e 3165 kJ / kg (para 25MPa e 500 ° C)

Do ponto de vista neutrônico, a densidade da água é o fator mais importante. Há uma mudança significativa no espectro de nêutrons , que muda com a coordenada axial do núcleo. É causada pela maior moderação em locais com maior densidade. Por esse motivo, um cálculo acoplado de nêutrons – hidráulica térmica é inevitável para obter a distribuição do fluxo de nêutrons no núcleo. Em cada reator nuclear , há uma proporcionalidade direta entre o fluxo de nêutronse a energia térmica do reator .

Como o refrigerante (moderador) sofre uma mudança significativa na densidade, o SCWR também pode ser projetado como um reator rápido de nêutrons. Essa propriedade depende de determinado projeto do reator.