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:
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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.
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Resistência química em condições de intensa exposição à radiação.
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Baixa corrosividade em relação aos materiais estruturais com os quais o refrigerante está em contato.
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Alto coeficiente de transferência de calor para que o calor flua rapidamente do reator para os átomos do refrigerante.
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Calor específico alto.
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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:
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Os reatores de nêutrons térmicos usam água (normal e pesada), vapor d'água, líquidos orgânicos e dióxido de carbono como refrigerante.
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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.