Os reatores de Geração IV (Gen IV) são tecnologias de projeto de reator nuclear concebidas como sucessoras dos reatores de geração III. O Fórum Internacional Geração IV (GIF, na sigla em inglês) — uma organização internacional que coordena o desenvolvimento de reatores de geração IV — selecionou especificamente seis tecnologias de reatores como candidatas a reatores de geração IV. Os projetos visam aprimorar a segurança, a sustentabilidade, a eficiência e os custos. A Associação Nuclear Mundial sugeriu em 2015 que algumas dessas tecnologias poderiam entrar em operação comercial antes de 2030.
Não existe uma definição precisa para um reator de Geração IV. O termo refere-se a tecnologias de reatores nucleares em desenvolvimento a partir de aproximadamente o ano 2000, cujos projetos tinham o propósito de representar "a configuração futura da energia nuclear", ao menos naquela época. Os seis projetos selecionados foram: o reator rápido refrigerado a gás (GFR), o reator rápido refrigerado a chumbo (LFR), o reator de sal fundido (MSR), o reator rápido refrigerado a sódio (SFR), o reator refrigerado a água supercrítica (SCWR) e o reator de temperatura muito alta (VHTR).
O reator rápido a sódio foi o que recebeu a maior parcela de financiamento para instalações de demonstração. Moir e Teller consideram que o reator de sal fundido, uma tecnologia menos desenvolvida, é o que possui potencialmente a maior segurança intrínseca entre os seis modelos. Os projetos de reator de temperatura muito alta operam em temperaturas muito superiores às das gerações anteriores. Isso viabiliza a eletrólise a alta temperatura ou o ciclo do enxofre-iodo para a produção eficiente de hidrogênio e para a síntese de combustíveis neutros em carbono.
A maioria dos reatores em operação em todo o mundo é considerada composta por sistemas de segunda geração e terceira geração, uma vez que a maioria dos sistemas de primeira geração já foi desativada. A China foi o primeiro país a operar um reator de demonstração de geração IV, o HTR-PM em Shidaowan, Shandong, que é um reator de alta temperatura refrigerado a gás do tipo leito de esferas. Ele foi conectado à rede elétrica em dezembro de 2023, tornando-se o primeiro reator de Gen IV do mundo a entrar em operação comercial. Em 2024, noticiou-se que a China também construiria a primeira usina nuclear de sal fundido e tório do mundo, com previsão de entrar em operação até 2029.
Fórum Internacional Geração IV O Fórum Internacional Geração IV (GIF) é uma organização internacional cujo objetivo declarado é "o desenvolvimento de conceitos para um ou mais sistemas de Geração IV que possam ser licenciados, construídos e operados de maneira a fornecer um suprimento de energia confiável e a preços competitivos... enquanto atendem satisfatoriamente às preocupações com segurança nuclear, resíduos, proliferação e percepção pública."FAQ 2: When will Gen IV reactors be built? GEN IV International Forum. Publicado em 1 de outubro de 2013. Acessado em nov. de 2021. O fórum coordena o desenvolvimento das tecnologias de Geração IV. A organização tem sido fundamental na coordenação de pesquisas sobre os seis tipos de reatores de Geração IV e na definição do escopo e do significado do próprio termo.
Até 2021, os membros ativos incluíam: África do Sul, Austrália, Canadá, China, Comunidade Europeia da Energia Atômica (Euratom), Coreia do Sul, Estados Unidos, França, Japão, Reino Unido, Rússia e Suíça. Os membros não ativos incluem Argentina e Brasil.
O Fórum foi iniciado em janeiro de 2000 pelo Gabinete de Energia Nuclear do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE)Origins of the GIF. GEN IV International Forum. Nov. de 2021. "como um empreendimento internacional cooperativo voltado a desenvolver a pesquisa necessária para testar a viabilidade e o desempenho de sistemas nucleares de quarta geração e disponibilizá-los para implantação industrial até 2030."Welcome to Generation IV International forum. GIF (acessado em fev. de 2023).
Em novembro de 2013, foi disponibilizado um panorama sucinto dos projetos de reatores e das atividades desenvolvidas por cada membro do fórum. Uma atualização do roteiro tecnológico com o detalhamento dos objetivos de pesquisa e desenvolvimento para a década seguinte foi publicada em janeiro de 2014.
Em maio de 2019, a Terrestrial Energy, desenvolvedora canadense de um reator de sal fundido, tornou-se a primeira empresa privada a ingressar no GIF.
Na reunião do fórum de outubro de 2021, os membros acordaram a criação de uma força-tarefa voltada para aplicações não elétricas do calor nuclear, incluindo aplicações térmicas distritais e industriais, dessalinização de água e produção de hidrogênio em larga escala.
Cronogramas O fórum GIF introduziu cronogramas de desenvolvimento para cada um dos seis sistemas. A pesquisa e o desenvolvimento dividem-se em três fases: Viabilidade: testar conceitos fundamentais sob condições operacionais relevantes; identificar e resolver todos os "potenciais entraves técnicos inviabilizadores"; Desempenho: verificar e otimizar "processos, fenômenos e capacidades de materiais em escala de engenharia" sob condições prototípicas; Demonstração: concluir e licenciar o projeto detalhado e realizar a construção e operação de protótipos ou sistemas de demonstração.
Em 2000, o GIF afirmou: "Após a conclusão da fase de desempenho para cada sistema, serão necessários pelo menos seis anos e vários bilhões de dólares norte-americanos para o projeto detalhado e a construção de um sistema de demonstração."A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems, pp. 79-82. Comitê Consultivo de Pesquisa de Energia Nuclear do DOE dos EUA e GIF, dez. de 2002. Na atualização do roteiro de 2013, as fases de desempenho e demonstração foram transferidas consideravelmente para datas posteriores, sem fixação de metas para as fases de comercialização. Segundo o GIF em 2013, "levará pelo menos duas ou três décadas até o desdobramento comercial de sistemas de Geração IV."
Tipos de reatores Diversos tipos de reatores foram inicialmente considerados; a lista foi posteriormente refinada para priorizar as tecnologias mais promissoras.Generation IV Nuclear Reactors. World Nuclear Association, atualização de dez. de 2020. Três sistemas são nominalmente reatores térmicos e três são reatores rápidos. O reator de temperatura muito alta (VHTR) possui potencial para fornecer calor de processo de alta qualidade. Os reatores rápidos oferecem a possibilidade de queimar actinídeos para reduzir ainda mais o volume de resíduos e podem regenerar mais combustível do que consomem. Esses sistemas oferecem avanços expressivos em sustentabilidade, segurança, confiabilidade, custos econômicos, resistência à proliferação nuclear e proteção física.
Reatores térmicos Um reator térmico é um reator nuclear que utiliza nêutrons lentos ou térmicos. Um moderador nuclear é empregado para desacelerar os nêutrons emitidos pela fissão a fim de aumentar a probabilidade de sua captura pelo combustível.
Reator de temperatura muito alta (VHTR) miniatura|upright=1.2|Reator de temperatura muito alta (VHTR)
O reator de temperatura muito alta (VHTR) emprega um núcleo moderado a grafite com ciclo de combustível de urânio aberto (queima única), utilizando hélio gasoso ou sal fundido. O projeto prevê uma temperatura de saída de 1.000 °C. O núcleo do reator pode apresentar uma configuração em blocos prismáticos ou adotar o desenho de um reator de leito de esferas. As altas temperaturas viabilizam aplicações industriais como calor de processo ou a produção de hidrogênio por meio do ciclo do enxofre-iodo termoquímico.
Em 2012, no âmbito de sua competição para a usina nuclear de nova geração (NGNP), o Laboratório Nacional de Idaho selecionou um projeto semelhante ao reator de blocos prismáticos Antares da Areva para ser construído como protótipo até 2021.
Em janeiro de 2016, a empresa X-energy recebeu um subsídio de cinco anos de até 40 milhões de dólares do Departamento de Energia dos Estados Unidos para impulsionar o desenvolvimento de seu reator. O Xe-100 é um reator modular de leito de esferas refrigerado a hélio, derivado do projeto sul-africano PBMR, dimensionado para gerar 80 MWe, ou 320 MWe em uma configuração quádrupla conjugada.
Desde 2021, o governo chinês opera a unidade de demonstração HTR-PM, um reator de leito de esferas de alta temperatura de 200 MW projetado como sucessor de seu HTR-10.
Reator de sal fundido (MSR) direita|miniatura|Reator de sal fundido (MSR)
Um reator de sal fundido (MSR) é um tipo de reator nuclear no qual o refrigerante primário ou o próprio combustível é uma mistura de sal fundido. Ele opera a alta temperatura e baixa pressão.
Sais fundidos podem ser empregados em reatores térmicos, epitérmicos e rápidos. Desde 2005, a atenção prioritária convergiu para os MSRs de espectro rápido (MSFR).H. Boussier, S. Delpech, V. Ghetta et al. : The Molten Salt Reactor (MSR) in Generation IV: Overview and Perspectives, GIF SYMPOSIUM PROCEEDINGS/2012 ANNUAL REPORT, NEA No. 7141, pp. 95.
Outros projetos incluem os reatores integrais de sal fundido (como o IMSR) e os reatores rápidos de sais de cloreto fundidos (MCSFR).
Os conceitos iniciais de espectro térmico e diversos projetos atuais baseiam-se em tetrafluoreto de urânio (UF4) ou tetrafluoreto de tório (ThF4) dissolvidos em sal de fluoreto fundido. O fluido atinge a criticalidade ao escoar para um núcleo provido de um moderador de grafite. O combustível também pode ser disperso em matriz sólida de grafite. Tais configurações enquadram-se com maior exatidão como reatores epitérmicos do que como reatores térmicos puros, devido à velocidade média mais elevada dos nêutrons causadores das fissões.
Os reatores MCSFR dispensam o moderador de grafite. Eles alcançam a criticalidade pelo volume acumulado de sal e material físsil, consumindo parcelas maiores do combustível e deixando resíduos de menor tempo de decaimento.
A maior parte dos conceitos de MSR deriva do Experimento do Reator de Sal Fundido (MSRE) da década de 1960. Entre as variantes conceituais figura o reator de duplo fluido, que utiliza chumbo líquido como refrigerante e sal fundido como combustível (comumente um cloreto metálico, como o cloreto de plutônio(III)), visando ampliar a capacidade de fechamento do ciclo do combustível. Outra abordagem notável é o conceito do reator de sal estável (SSR), que acomoda o sal fundido dentro de varetas estruturais semelhantes às dos reatores convencionais. Esse último desenho foi avaliado como o mais competitivo pela consultoria Energy Process Development em 2015.
Outro projeto em desenvolvimento é o reator rápido de cloreto fundido da TerraPower. O conceito mistura urânio natural líquido com o sal refrigerante de cloreto no próprio núcleo, atingindo temperaturas muito elevadas sob pressão atmosférica. Em 2025, o experimento MCRE (Molten Chloride Reactor Experiment), uma cooperação entre o Laboratório Nacional de Idaho (INL), a Southern Company e a TerraPower, atingiu um marco relevante ao operar um forno protótipo que sintetizou combustível à base de urânio desnaturado à taxa de por lote. A equipe concluiu adicionalmente uma bancada de testes de circuito de sal fundido forjada em aço inoxidável contendo uma mistura de sais de cloreto de lítio e cloreto de potássio, capaz de modular propriedades como temperatura durante a circulação e analisar tensão superficial, densidade, corrosão e taxas de transferência de calor por meio de cinco sensores dedicados.