Um refrigerante em um reator nuclear é uma substância líquida ou gasosa que passa pelo núcleo do reator e remove o calor da reação de fissão nuclear.
As usinas de geração de energia que usam energia nuclear para obter energia elétrica geram uma grande quantidade de energia térmica. O calor gerado deve ser dissipado porque, caso contrário, a temperatura do reator subiria tanto que poderia derreter.
Em reatores de energia de circuito duplo, o refrigerante do reator entra no gerador de vapor que produz o vapor que aciona as turbinas. Por outro lado, em reatores de circuito único, o refrigerante (vapor ou gás) pode servir como fluido de trabalho do ciclo da turbina.
Em pesquisas (por exemplo, ciência dos materiais) e reatores especiais (por exemplo, em reatores para o acúmulo de isótopos radioativos) o refrigerante apenas resfria o reator, o calor resultante não é usado.
O refrigerante em uma usina nuclear e as hastes de controle são dois dos mais importantes sistemas de segurança em uma usina nuclear.
Quais são os requisitos de refrigerante nuclear?
Um refrigerante nuclear deve atender aos seguintes requisitos:
Fraca absorção de nêutrons (em reatores térmicos) ou enfraquecimento deles (em reatores rápidos). O objetivo é reduzir a energia térmica, mas não reduzir a potência do reator.
Resistência química em condições de intensa exposição à radiação.
Baixa corrosividade em relação aos materiais estruturais com os quais o refrigerante está em contato.
Alto coeficiente de transferência de calor para que o calor flua rapidamente do reator para os átomos do refrigerante.
Calor específico alto.
Baixa pressão de trabalho em altas temperaturas.
Tipos de refrigerantes nucleares
Os refrigerantes nucleares usados em um reator variam dependendo do tipo de reator nuclear:
Os reatores de nêutrons térmicos usam água (normal e pesada), vapor d'água, líquidos orgânicos e dióxido de carbono como refrigerante.
Os reatores nucleares rápidos usam metais líquidos (principalmente sódio) e também gases (por exemplo, vapor de água, hélio). Freqüentemente, o líquido serve como um refrigerante, que também é um moderador de nêutrons.
Água leve
Um dos transportadores de calor mais comuns é a água. A água natural contém uma pequena quantidade de água pesada (0,017%), várias impurezas e gases dissolvidos. A presença de impurezas e gases torna a água quimicamente ativa com metais. Portanto, antes de usá-lo como um transportador de calor, a água é purificada de impurezas por destilação e os gases são removidos da água.
Água radioativa circula no circuito primário da usina nuclear. A principal fonte de radioatividade da água são as impurezas, cujo aparecimento na água se deve à corrosão dos nós do circuito primário e à contaminação tecnológica por substâncias físseis na superfície externa dos elementos combustíveis. A concentração de impurezas radioativas na água é reduzida por filtração.
Vantagens e desvantagens de usar água leve como refrigerante nuclear
As desvantagens de usar água como refrigerante são o baixo ponto de ebulição (100 ° C a uma pressão de 1 atm) e a absorção de nêutrons térmicos. A primeira desvantagem é eliminada aumentando a pressão no circuito primário. A absorção de nêutrons térmicos pela água é compensada pelo uso de combustível nuclear à base de urânio enriquecido.
Água pesada
A água pesada em suas propriedades químicas e térmicas é um pouco diferente da água comum. Praticamente não absorve nêutrons, o que possibilita o uso do urânio natural como combustível nuclear em reatores nucleares com moderador de água pesado.
Porém, a água pesada ainda é pouco utilizada na construção de reatores devido ao seu alto custo.
Um exemplo de reator que usa água pesada como refrigerante é o reator de água fervente (BWR).
Metais líquidos
Dos refrigerantes metálicos, o sódio é o mais desenvolvido.
Este refrigerante é quimicamente ativo com a maioria dos metais a uma temperatura relativamente baixa, e essa atividade de sódio é devida à mistura de óxidos de sódio. Assim, o sódio é completamente limpo de óxidos, após o que não reage com muitos metais (Mo, Zr, aço inoxidável, etc.) a 600–900 ° C.
Líquidos orgânicos
Dos líquidos orgânicos testados, alguns dos polifenilos, incluindo difenil e trifenil, foram considerados os mais estáveis em condições de temperaturas elevadas e exposição à radiação.
No entanto, apesar das vantagens, esses refrigerantes se mostraram muito instáveis à irradiação de nêutrons, de modo que esses reatores não foram usados industrialmente.
Gás
O principal refrigerante do gás é o dióxido de carbono. É econômico, caracterizado por uma maior densidade e capacidade volumétrica de calor em comparação com outros gases. O efeito corrosivo do dióxido de carbono nos metais depende do teor de oxigênio.
O reator resfriado a gás (GCR) é o tipo de reator que usa esse refrigerante nuclear.
