miniatura|Exemplo de esquema de um reator de sal fundido Um reator de sal fundido (MSR, do inglês molten-salt reactor) é uma classe de reator de fissão nuclear no qual o refrigerante primário do reator e/ou o próprio combustível nuclear é uma mistura de sal fundido com um material físsil.
Dois MSRs de pesquisa operaram nos Estados Unidos em meados do século XX. O Aircraft Reactor Experiment (ARE), na década de 1950, foi motivado principalmente pelas dimensões compactas da tecnologia, enquanto o Experimento do Reator de Sal Fundido (MSRE), na década de 1960, teve como objetivo demonstrar uma central nuclear utilizando o ciclo do combustível de tório em um reator reprodutor.
O aumento das pesquisas sobre projetos de reatores de Geração IV renovou o interesse pela tecnologia no século XXI, com múltiplos países iniciando projetos. Em 11 de outubro de 2023, o reator chinês TMSR-LF1 atingiu a criticalidade e, subsequentemente, alcançou operação em potência máxima, bem como a regeneração de tório.
Propriedades Os MSRs eliminam o cenário de derretimento nuclear presente em reatores refrigerados a água porque a mistura de combustível é mantida em estado líquido fundido. A mistura de combustível é projetada para drenar sem bombeamento do núcleo para um vaso de contenção em cenários de emergência, onde o combustível se solidifica, extinguindo a reação. Além disso, a formação de hidrogênio não ocorre. Isso elimina o risco de explosões de hidrogênio (como no acidente nuclear de Fukushima Daiichi). Eles operam na pressão atmosférica ou próximo a ela, em vez das 75 a 150 vezes a pressão atmosférica de um reator de água leve (LWR) típico. Isso reduz a necessidade e o custo de vasos de pressão do reator. Os produtos de fissão gasosos (Xe e Kr) têm pouca solubilidade no sal combustível, e podem ser capturados com segurança à medida que borbulham para fora do combustível, em vez de aumentarem a pressão no interior dos tubos de combustível, como acontece em reatores convencionais. Os MSRs podem ser reabastecidos durante a operação (essencialmente um reprocessamento nuclear contínuo online), enquanto os reatores convencionais são desligados para reabastecimento (exceções notáveis incluem reatores de tubos de pressão como o CANDU a água pesada ou os PHWRs da classe Atucha, o RBMK refrigerado a água leve e moderado a grafite, e reatores refrigerados a gás de construção britânica, como Magnox e AGR). As temperaturas de operação do MSR situam-se em torno de , significativamente superiores às dos LWRs tradicionais, que ficam em torno de . Isso aumenta a eficiência na geração de eletricidade e as oportunidades de aproveitamento de calor de processo.
Os desafios de projeto relevantes incluem a corrosividade dos sais quentes e a composição química mutável do sal à medida que ele é transmutado pelo fluxo de nêutrons.
Os MSRs, especialmente aqueles com combustível no sal fundido, oferecem pressões de operação mais baixas e temperaturas mais altas. Sob esse aspecto, um MSR é mais semelhante a um reator refrigerado por metal líquido do que a um reator convencional refrigerado a água leve. Os projetos de MSR são frequentemente reatores reprodutores com ciclo de combustível fechado — em oposição ao combustível de ciclo aberto de queima única (once-through) utilizado atualmente nos geradores de energia nuclear convencionais.
Os MSRs exploram um coeficiente de temperatura de reatividade negativo e uma ampla elevação de temperatura permitida para evitar acidentes de criticalidade. Para projetos com o combustível dissolvido no sal, o sal se expande termicamente de imediato diante de excursões de potência. Em reatores convencionais, a reatividade negativa sofre atraso, pois o calor do combustível precisa ser transferido para o moderador. Um método adicional é posicionar um reservatório separado e refrigerado passivamente sob o reator. O combustível escoa para esse reservatório durante falhas operacionais ou manutenção, o que interrompe a reação.
As temperaturas de alguns projetos são altas o suficiente para produzir calor de processo, o que levou à inclusão da tecnologia no roteiro do fórum Geração IV.
Vantagens Os MSRs oferecem muitas vantagens potenciais em relação aos reatores de água leve.
Por um lado, os MSRs alcançam a remoção passiva do calor de decaimento. Em alguns projetos, o combustível e o refrigerante formam um único fluido; portanto, a perda de refrigerante transporta o combustível juntamente consigo. Os sais de fluoreto dissolvem-se mal em água e não formam hidrogênio combustível. O refrigerante fundido não é danificado pelo bombardeamento de nêutrons (embora o próprio vaso do reator seja).
Os MSRs podem operar sob baixa pressão, dispensando a necessidade de vasos de contenção, tubulações e equipamentos de segurança de alta espessura e elevado custo.
Os MSRs podem viabilizar ciclos de combustível nuclear fechados mais baratos, pois conseguem operar com nêutrons lentos. Ciclos de combustível fechados podem reduzir os impactos ambientais; a separação química transforma actinídeos de vida longa em combustível para o reator, e os resíduos descartados são em sua maioria produtos de fissão com meia-vida mais curta. Isso pode reduzir a necessidade de contenção de resíduos para 300 anos, em comparação aos mais de 10.000 anos necessários para os resíduos nucleares produzidos por reatores modernos. Além disso, a fase líquida do combustível de sal fundido pode ser submetida a piroprocessamento para separar os produtos de fissão do elemento combustível, o que traz vantagens em relação ao reprocessamento convencional. Os MSRs também não exigem a fabricação física de varetas de combustível.
Alguns projetos de MSR são compatíveis com nêutrons rápidos, que "queimam" elementos transurânicos, como e , gerados por reatores padrão. Isso possibilita o uso de uma gama mais ampla de elementos combustíveis no reator. Os MSRs também possuem potencialmente economia de nêutrons suficiente para explorar o ciclo do combustível de tório, que é pobre em nêutrons.
Os MSRs podem operar em altas temperaturas, obtendo uma eficiência térmica superior à dos reatores modernos. O tamanho, o custo e o impacto ambiental do reator são reduzidos como consequência. De forma correlata, os MSRs podem oferecer uma potência específica elevada (potência por unidade de massa), conforme demonstrado pelo ARE.
Desvantagens Em projetos de combustível circulante, o material radioativo dissolvido no sal combustível entra em contato direto com equipamentos como bombas e trocadores de calor. A intensa radiação pode exigir manutenção totalmente remota e robotizada desses sistemas.
Alguns MSRs requerem processamento químico no próprio local da usina para gerenciar a mistura do núcleo e remover os produtos de fissão.
Como os MSRs são altamente não convencionais quando comparados aos projetos mais conhecidos de reatores de água leve em uso hoje, serão necessárias alterações regulatórias para acomodar recursos de projeto não tradicionais. O MSRE e o ARE utilizaram urânio com níveis de enriquecimento próximos aos de grau bélico; esses níveis seriam ilegais na maioria dos regimes regulatórios modernos de usinas de energia e, portanto, os projetos contemporâneos empregam combustíveis com menor nível de enriquecimento.
Alguns projetos de MSR dependem de ligas de níquel de alto custo para conter o sal fundido. Essas ligas são propensas à fragilização sob elevado fluxo de nêutrons.
Entre as principais questões, os MSRs estão sujeitos a um alto risco de corrosão. Os sais fundidos são fortemente corrosivos e demandam uma gestão rigorosa de seu estado de oxidação para atenuar os riscos associados. Isso é particularmente desafiador para projetos circulantes, nos quais uma mistura de isótopos radioativos e seus produtos de decaimento circula por todo o reator. Os projetos estáticos beneficiam-se da compartimentação do problema: o sal combustível é contido no interior de pinos de combustível cuja substituição periódica, motivada principalmente pela irradiação de nêutrons, é padronizada; enquanto o sal refrigerante possui uma composição química mais simples e não apresenta risco de corrosão nem para os pinos de combustível nem para o vaso do reator. Os MSRs desenvolvidos no ORNL na década de 1960 eram seguros para operar por apenas alguns anos e funcionavam a apenas cerca de . Os riscos de corrosão abrangem a dissolução de cromo por sais líquidos de fluoreto e tório em temperaturas superiores a , colocando em risco componentes de aço inoxidável. A radiação neutrônica pode transmutar agentes de liga comuns (como cobalto e níquel), encurtando a vida útil dos materiais. Sais de lítio como o FLiBe exigem o uso de para reduzir a geração de trítio (o trítio pode permear aços inoxidáveis, causar fragilização e escapar para o meio ambiente). O ORNL desenvolveu a liga Hastelloy N para ajudar a resolver essas questões, enquanto outros aços estruturais podem ser aceitáveis, como 316H, 800H e Inconel 617.
Alguns projetos de MSR podem ser convertidos em reatores reprodutores para produzir material nuclear de grau bélico, representando um risco de proliferação nuclear.
A vida útil do núcleo é limitada pelos danos causados por nêutrons aos materiais moderadores sólidos. Como exemplo, o moderador de grafite do MSRE foi projetado com tolerâncias dimensionais folgadas, de modo que os danos causados por nêutrons pudessem alterá-las sem consequências estruturais graves. Os projetos de MSR de fluido duplo não utilizam tubulações de grafite porque o grafite sofre alterações dimensionais ao ser bombardeado por nêutrons. MSRs que utilizam nêutrons rápidos não podem usar grafite, pois ele modera os nêutrons.
Os MSRs térmicos apresentam taxas de reprodução menores do que os reprodutores de nêutrons rápidos, embora seu tempo de duplicação possa ser mais curto.
Refrigerante Os MSRs podem ser resfriados de várias maneiras, inclusive utilizando sais fundidos.
Os reatores de combustível sólido refrigerados a sal fundido são chamados diversamente de "sistema de reator de sal fundido" na proposta de Geração IV, reatores conversores de sal fundido (MSCR), reatores avançados de alta temperatura (AHTRs) ou reatores de alta temperatura refrigerados a fluoreto (FHR, a designação preferida pelo DOE).
Os FHRs não podem reprocessar o combustível facilmente e possuem varetas de combustível que precisam ser fabricadas e validadas, exigindo até vinte anos a partir do início do projeto. O FHR mantém as vantagens de segurança e custo de um refrigerante de baixa pressão e alta temperatura, também compartilhadas pelos reatores refrigerados a metal líquido. Notadamente, o vapor não é gerado dentro do núcleo (ao contrário do que ocorre em reatores de água fervente) e não há necessidade de um vaso de pressão de aço grande e caro (como o exigido para reatores de água pressurizada). Como pode operar em altas temperaturas, a conversão do calor em eletricidade pode utilizar uma turbina a gás eficiente e leve de ciclo de Brayton.
Grande parte das pesquisas atuais sobre FHRs concentra-se em trocadores de calor pequenos e compactos que reduzem os volumes de sal fundido e os custos associados.
Os sais fundidos podem ser fortemente corrosivos, e a corrosividade aumenta com a temperatura. Para o circuito primário de arrefecimento, é necessário um material que resista à corrosão sob altas temperaturas e radiação intensa. Experimentos mostram que o Hastelloy-N e ligas semelhantes são adequados para essas tarefas em temperaturas de operação de até cerca de 700 °C. No entanto, a experiência operacional ainda é limitada. Temperaturas de operação ainda mais elevadas são desejáveis — a , a produção termoquímica de hidrogênio torna-se viável. Materiais para essa faixa de temperatura ainda não foram validados, embora compósitos de carbono, ligas de molibdênio (ex.: TZM), carbetos e ligas à base de metais refratários ou ligas ODS possam ser viáveis.
Escolha do sal fundido miniatura|FLiBe fundido