Um reator de água pressurizada (PWR) é um tipo de reator nuclear onde a água usada no circuito primário é mantida sob alta pressão para evitar que ferva.
Na ausência dessa alta pressão, o calor dentro do reator poderia facilmente transformar a água em vapor, interrompendo o processo. PWRs são amplamente usados em usinas nucleares ao redor do mundo para gerar eletricidade, com mais de 230 reatores atualmente em operação.
O propósito original do modelo PWR era para uso em submarinos nucleares, onde restrições de espaço e segurança eram fatores críticos. Com o tempo, o projeto provou ser eficaz para geração de eletricidade, e agora é o tipo mais comum de reator em uso globalmente, ao lado de reatores de água fervente (BWR) . Tanto o PWR quanto o BWR são classificados como reatores de água leve porque usam água comum como refrigerante e moderador de nêutrons.
Vantagens dos Reatores de Água Pressurizada (PWR)
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Estabilidade e Segurança : Uma das vantagens mais significativas dos PWRs é sua estabilidade inerente. O reator tem uma tendência natural de reduzir a saída de energia quando a temperatura aumenta, uma característica conhecida como coeficiente de temperatura negativo . Isso reduz a probabilidade de superaquecimento e aumenta a segurança.
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Baixos requisitos de combustível : PWRs podem operar com menos material físsil em comparação a reatores que operam sob condições críticas. Isso diminui o risco de surtos de energia descontrolados, tornando-os mais seguros.
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Uso de Água Comum : PWRs usam água comum (também chamada de água leve ) como moderador de nêutrons, que é prontamente disponível e mais barata do que água pesada, que alguns reatores exigem. Isso reduz os custos operacionais gerais.
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Tecnologia comprovada : com mais de 230 reatores no mundo todo, a PWR tem um longo histórico de desempenho comprovado na geração de eletricidade.
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Troca de calor eficiente : a separação dos circuitos primário e secundário garante que a água radioativa não entre em contato com o vapor, minimizando o risco de contaminação.
Desvantagens dos Reatores de Água Pressurizada (PWR)
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Requisito de Alta Pressão : A água de refrigeração primária deve ser mantida em alta pressão (em torno de 16 megapascals) para evitar que ferva. Isso requer o uso de vasos de pressão grandes e caros e aumenta os custos de construção. Também apresenta um risco maior de acidentes, principalmente se houver perda de refrigerante.
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Reprocessamento de combustível limitado : PWRs não podem alterar o combustível usado enquanto estão em operação. Isso exige paradas periódicas para substituição de combustível, o que pode levar a tempo de inatividade e custos operacionais adicionais.
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Problemas de corrosão : A água no circuito primário, que contém ácido bórico dissolvido, é corrosiva para o aço inoxidável. Essa corrosão pode levar à circulação de produtos de corrosão radioativos no circuito primário, o que limita a vida útil do reator e requer sistemas de filtragem adicionais.
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Custos de combustível : Como a água comum é menos eficaz como moderador de nêutrons em comparação à água pesada, os PWRs exigem urânio enriquecido como combustível. Isso aumenta os custos de combustível em comparação aos reatores que usam urânio natural ou água pesada.
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Incapacidade de usar nêutrons rápidos : O uso de água como moderador de nêutrons torna impossível projetar um reator rápido usando um layout PWR. Reatores rápidos são projetados para usar nêutrons rápidos para conduzir reações de fissão, o que requer um tipo diferente de moderador ou nenhum moderador.
Como funcionam os reatores de água pressurizada?
O funcionamento de um PWR é baseado em um ciclo de quatro etapas:
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Fissão e geração de calor: O núcleo do reator, alojado no vaso do reator, gera calor por meio de reações de fissão nuclear, onde átomos de urânio se dividem e liberam grandes quantidades de energia.
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Transferência de Calor do Circuito Primário: A água no circuito primário absorve essa energia térmica. A alta pressão impede que ela ferva, garantindo que ela permaneça na forma líquida apesar das altas temperaturas.
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Geração de Vapor do Circuito Secundário: A água aquecida do circuito primário flui para um gerador de vapor. Aqui, ela transfere seu calor para a água em um circuito secundário, transformando-a em vapor.
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Produção de Eletricidade: O vapor aciona uma turbina, que é conectada a um gerador de eletricidade. Conforme a turbina gira, a eletricidade é produzida.
Após o vapor passar pela turbina, ele entra em um condensador, onde é resfriado e convertido novamente em forma líquida. Essa água líquida então flui de volta para o gerador de vapor para começar o ciclo novamente. O condensador normalmente resfria o vapor usando um circuito terciário de água fria, como água do mar ou água do rio.
O núcleo do reator e as reações nucleares
O núcleo do reator contém barras de combustível nuclear, tipicamente feitas de urânio enriquecido, que sofrem fissão quando bombardeadas por nêutrons. Cada evento de fissão libera energia térmica e produz nêutrons adicionais que continuam a cadeia de reação.
Para garantir a segurança, os PWRs são projetados para operar dentro de uma faixa de temperatura especificada, pois exceder isso pode fazer com que as barras de combustível derretam. O sistema de refrigeração, acionado por bombas de refrigeração do reator, circula água pelo núcleo para absorver e transportar esse calor.
Em reatores PWR, a água do circuito primário é mantida separada do circuito secundário para evitar contaminação. A água no circuito primário é radioativa, enquanto a água secundária que gera vapor não é. Essa separação é crucial para manter a segurança e evitar a liberação de radiação.
Refrigerante e moderador em PWR
O refrigerante primário em um PWR é água leve, que permanece em fase líquida mesmo em temperaturas tão altas quanto 315°C, devido à alta pressão. Essa água é essencial para manter a temperatura apropriada dentro do núcleo do reator e transferir calor para o circuito secundário.
A água também serve como moderador de nêutrons em PWRs. Em um reator nuclear, nêutrons rápidos produzidos durante a fissão são desacelerados pelo moderador, o que permite que outras reações de fissão ocorram. Como a água é eficaz em desacelerar nêutrons, ela desempenha um papel fundamental na sustentação da reação em cadeia em reatores PWR.
Controle de Reações Nucleares
Para controlar o processo de fissão, barras de controle feitas de materiais absorventes de nêutrons são inseridas ou retiradas do núcleo do reator. Quando inseridas profundamente, as barras de controle absorvem mais nêutrons, reduzindo o número de reações de fissão e diminuindo a potência de saída. Por outro lado, a retirada das barras aumenta o número de nêutrons disponíveis para fissão, aumentando a potência do reator.