Poder do átomo: Energia Nano Nuclear

Transparência do microrreator Odin completo (Todas as fotos são cortesia da Nano Nuclear Energy)

A geração de energia invariavelmente envolve dois elementos: um produto combustível e um sistema que pode converter esse combustível em energia utilizável. Um gerador de combustível líquido ou gasoso bem conservado pode ter uma vida útil de muitas décadas, mas sempre precisará de um fornecimento de combustível constante e confiável, o que pode ser caro para instalar e manter em locais remotos.

Existe alguma alternativa que possa eliminar a necessidade de um fornecimento constante de combustível? A energia solar oferece esse potencial, mas, até que os painéis fotovoltaicos se tornem mais eficientes, seria necessário um conjunto de painéis medido em acres para carregar um grande gerador elétrico a bateria. A energia eólica é outra possibilidade, mas a(s) turbina(s) é(são) difícil(eis) de manejar e o vento em si não pode ser garantido.

Olhando para outros lugares, a energia nuclear fornece energia para redes nacionais há décadas. Certamente resolveria o problema do reabastecimento, mas levar essa tecnologia para o mercado de microrredes parece inviável. Mas a comercialização de microrreatores está mais próxima do que você imagina. A Nano Nuclear Energy (conhecida como Nano) é uma empresa que planeja levar a energia do átomo ao mercado de geradores, além de trabalhar na fabricação de combustível nuclear, soluções para transporte de combustível e serviços de consultoria relacionados.

A empresa atualmente possui duas versões de microrreator em desenvolvimento: o "Zeus", um reator de bateria de núcleo sólido, enquanto o "Odin", um reator de refrigeração de baixa pressão. Cada um deles foi projetado para caber em um contêiner de transporte padrão.

James Walker, CEO da Nano, conversou com a Power Progress International sobre a empresa e a tecnologia. "Quando fundamos a empresa, há alguns anos, já havia algumas empresas desenvolvendo pequenos reatores modulares; o setor de microrreatores da indústria era muito menos desenvolvido."

James Walker, Nano Energia Nuclear

Continuando, ele observou que os microrreatores seriam ideais para mineração, perfuração de petróleo e gás e bases militares, mas também para socorro em desastres — essencialmente casos em que o diesel é atualmente a única alternativa, mas seu fornecimento é caro. "Como você só está competindo com o custo do diesel remoto, que é muito alto, para ter um sistema de energia que não precise ser reabastecido por 15 ou 20 anos, isso tornaria os sistemas muito competitivos", explica Walker.

Fissão nuclear 101

Voltando à ideia original, é óbvio que um microrreator eliminaria qualquer necessidade de reabastecimento. Mas o que acontece para produzir a energia?

Dentro do reator, átomos de urânio 235 são forçados a se unir até atingirem uma massa crítica. Nesse ponto, nêutrons liberados sob pressão começam a dividir os átomos de urânio no que se torna uma reação em cadeia autossustentável. É isso que libera o efeito energético positivo.

A intensidade da reação em cadeia é controlada por barras de controle. Estas são feitas de materiais que absorvem nêutrons, como boro, cádmio, prata ou índio; estas reduzem a quantidade de nêutrons livres para retardar o processo de reação.

“É um sistema muito básico”, diz Walker. “A inserção das hastes pode ser feita remotamente, então ninguém com conhecimento técnico para gerenciar um reator precisa estar no local. A regulamentação também exige um mínimo de dois sistemas de backup redundantes, o que significa essencialmente que há dois conjuntos independentes de hastes.”

Modelo de negócios

Os microrreatores foram desenvolvidos por equipes da Universidade da Califórnia em Berkeley e da Universidade de Cambridge. Cada um tinha objetivos principais, diz Walker: "Precisava ser um sistema transportável, que pudesse ser transportado por rodovia, ferrovia ou mar. Além disso, precisava ser capaz de se conectar rapidamente à rede elétrica local; não poderia exigir nenhuma instalação relacionada para entrar em operação."

Outro elemento do projeto foi a supervisão mínima. Walker afirma que pouquíssimos funcionários são necessários onde os sistemas são implantados, possivelmente limitados à segurança e a um mecânico. "Não seria necessário um engenheiro nuclear ou físico", acrescenta. Um sistema de monitoramento remoto é conectado a cada instalação para verificar o desempenho.

Microrreatores Odin preparados para transporte em caminhões

Quando os microrreatores forem lançados, Walker afirma que espera que o aluguel seja o modelo de uso preferencial. "Haverá pouco ou nenhum interesse em comprar, operar e descomissionar um microrreator. Algumas empresas muito grandes podem fazer isso, mas a maioria dos clientes só vai querer comprar a energia."

Existem comunidades remotas no norte do Canadá que sobrevivem usando apenas geradores a diesel. São 800 pessoas que, juntas, gastam cerca de US$ 10 milhões por ano em combustível. Considerando a vida útil de 15 ou 20 anos de um microrreator, isso representa US$ 150 ou US$ 200 milhões em diesel. Um microrreator pode ser montado e entregue por uma fração desse custo. Em casos como esse, sabemos que o modelo de aluguel funcionará.

Ele acrescenta que haverá uma perda de capital inicial para a Nano, mas assim que esse investimento for pago, o microrreator gerará lucro líquido.

Produção de combustível

Ambas as versões do microrreator utilizam combustível de urânio de alto teor e baixo enriquecimento (HALEU), que seria produzido pela Nano e, em seguida, transportado pela subsidiária Advance Fuel Transportation. A empresa é a licenciada exclusiva de uma "cesta" patenteada de transporte de combustível HALEU de alta capacidade, desenvolvida em três grandes laboratórios nucleares dos EUA.

A HALEU Energy Fuel Inc. foi fundada quando se tornou evidente que as cadeias de suprimentos existentes nos EUA não seriam capazes de fornecer o combustível necessário. Uma unidade de fabricação integrada está sendo planejada em Oak Ridge, Tennessee, para enriquecimento, desconversão e fabricação do material.

A Nano tem parceria com a LIS Technologies, que realizará a parte de enriquecimento do processamento de combustível. Esse processo utiliza um sistema baseado em laser para separar isótopos individuais de urânio daqueles indesejados e concentrar o material coletado.

Walker afirma que o combustível usado em um microrreator é o mesmo urânio 235 (o isótopo físsil que compõe menos de 1% de todo o urânio) encontrado em um reator de tamanho real. A principal diferença é que, em um reator menor, é melhor ter um nível maior de enriquecimento.

Isso significa que, enquanto um grande reator de água pressurizada (PWR) em uma usina de gigawatts usaria dióxido de urânio enriquecido a menos de 5%, o combustível HALEU é limitado a um enriquecimento de cerca de 20%. No outro extremo da escala, o urânio para armas tem pureza superior a 90%.

"A forma como esse combustível é transportado seria ligeiramente adaptada, mas o ponto crucial é que não seja mais inseguro", explica Walker. "Temos que deixar isso bem claro: um reator não pode explodir."

Na caixa

Como observado anteriormente, os microrreatores desenvolvidos pela Nano foram projetados para caber em um contêiner de transporte padrão. Questionado se o contêiner incluiria versões miniaturizadas de todos os equipamentos de um reator padrão, Walker afirma que o hardware é muito menos complexo.

"Todos os reatores convencionais usam água, é um ótimo refrigerante. Mas a temperatura de ebulição da água é comparativamente baixa e o calor produzido pelo urânio é tão alto que eles precisam de pressurizadores embutidos no sistema para evitar a ebulição", diz ele.

Impressão artística de um microrreator Odin localizado em uma base militar

Em um reator de tamanho real, a falha do pressurizador causaria a fusão do núcleo. Em um microrreator, mesmo que todos os sistemas de refrigeração falhassem, a unidade irradiaria o calor passivamente sem causar a fusão do núcleo. O pior cenário é que o microrreator deixaria de fornecer energia utilizável para a microrrede.

Walker: “Se um microrreator fosse instalado em uma base militar e fosse atingido por um míssil, a explosão tornaria [o material] menos radioativo. Isso porque, se o material usado para criar a massa crítica e a reação em cadeia não fosse mais forçado a se unir, o urânio naturalmente começaria a esfriar e se tornaria menos radioativo.”

Obstáculos regulatórios

Os EUA têm o programa nuclear mais antigo do mundo. Walker afirma que, ao longo das décadas, o setor desenvolveu um profundo nível de burocracia, o que tornou a energia nuclear produzida no país mais cara do que em qualquer outro lugar do mundo.

A burocracia também aumentou o tempo necessário para concluir o processo de licenciamento necessário para levar um reator do protótipo à produção comercial. Para complicar ainda mais a situação, o custo do processo é ditado pelo órgão regulador e pode se tornar proibitivamente caro.

Walker: “A energia nuclear deveria, teoricamente, ser a forma de energia mais barata do mundo devido à sua densidade energética. Mas, devido ao licenciamento, ao tempo que leva, os custos de capital são muito altos e, portanto, o financiamento é muito caro. Considerando um reator padrão, 70% do orçamento pode ser atribuído aos custos de financiamento.”

Walker observa que, se a Nano receber apenas uma licença, isso será suficiente para cobrir a produção dos microrreatores modulares. E, à medida que as economias de escala entrarem em vigor, os custos de capitalização serão "drasticamente reduzidos" por unidade, tornando os sistemas mais acessíveis no mercado aberto.

Além disso, em setembro de 2024, o governo dos EUA aprovou o Advance Act, que visa cortar custos de licenciamento para tecnologias avançadas de reatores nucleares e simplificar permissões, reduzir taxas e diminuir atrasos.

“Esta reforma deve ajudar a simplificar o licenciamento”, afirma Walker. “Aplicar uma estrutura de licenciamento padrão a um microrreator não é apenas um exagero, muitas das metas simplesmente não são aplicáveis. Portanto, esperamos que isso resulte em uma estrutura comprovadamente diferente para diferentes tipos de reatores.”

Atualmente, a Nano está na fase de pré-licenciamento do processo, que inclui o tipo de reator, a potência e as datas previstas de lançamento. Walker afirma que, assim que a aprovação for recebida, a empresa começará a construir um protótipo funcional completo do microrreator ao mesmo tempo em que submete o pedido formal de licenciamento; a Lei Antecipada prevê um prazo máximo de 25 meses para esse processo, período em que Walker prevê receber a aprovação final.

Descomissionamento de microrreatores

Após o recebimento dessa aprovação, os microrreatores serão lançados nos EUA, mas Walker acredita que mercados maiores estarão em países e regiões com operações industriais pesadas ou populações em áreas remotas com pouca ou nenhuma infraestrutura de energia.

Temos conversado com governos da Indonésia, Tailândia e Filipinas. Eles têm milhões de pessoas espalhadas por centenas de ilhas e todas subsistem com geradores a diesel. Isso é logisticamente difícil, muito caro e muito prejudicial ao meio ambiente. Eles estão muito interessados nos microrreatores; pode haver centenas de sistemas implantados nessas comunidades.

Tudo o que é bom chega ao fim e os microrreatores eventualmente terão que ser desativados. Walker diz que a ideia original era descarregar o combustível no local e deixar o reator por seis meses, após os quais estaria pronto para ser descartado como um dispositivo não nuclear.

Mas o início do chamado Projeto Pele, da BWX Technologies, mudou esses planos. Como parte disso, foi feito um requerimento para permitir que reatores abastecidos e usados sejam transportados por estrada, o que permitiria que as unidades fossem desativadas em um local específico.

“Desenvolvemos tecnologias para mover combustível novo e usado, mas seria muito mais fácil inserir barras de controle e mover o reator para onde pudéssemos gerenciar o processo de reabastecimento”, diz Walker.

Isso também abre caminho para um microrreator totalmente móvel – a Nano criou a Advanced Fuel Transportation Inc. para esse fim. Na prática, um microrreator poderia ser implantado por cinco anos, com as barras de controle inseridas antes de ser movido para outro local. Walker: "No caso da mineração, o ponto final onde a energia é necessária pode estar a quilômetros de distância do local original. Mover o microrreator seria mais fácil do que instalar cabos de transmissão."

Aceitação do mercado

É evidente que eventos como Three Mile Island (Harrisburg, Pensilvânia) e Chernobyl (Pripyat, Ucrânia) deixaram uma marca indelével na percepção global da energia nuclear. Após o colapso parcial dos reatores da usina nuclear de Fukushima, no Japão, o governo alemão anunciou o descomissionamento de todas as usinas nucleares existentes; as últimas instalações foram desativadas em 2023.

Microrreator Odin em local de longo prazo

Walker afirma que grande parte do problema reside na lacuna entre a realidade e a percepção pública. Em Fukushima, que utilizava tecnologia mais antiga, ainda foram necessárias as forças combinadas de um terremoto e um tsunami para comprometer a usina. Mesmo assim, o pior do desastre foi contido com água do mar. Após o uso, a água se mostrou menos radioativa do que o mar em que foi lançada.

“Mesmo considerando o pior acidente de Three Mile Island nos EUA, ninguém morreu e o segundo reator da usina continua operando até hoje”, ele ressalta. “Em Chernobyl, as pessoas que deixaram a área após o desastre têm uma expectativa de vida menor do que aquelas que ficaram.

“Olhando para a tecnologia como um todo, o público precisa entender que é realmente muito difícil fazer um reator nuclear de qualquer tipo entrar em colapso.”

Uma versão completa deste artigo será publicada na edição do primeiro trimestre de 2025 da revista Power Progress International.