1. Introdução
Para atingir as metas propostas e os compromissos assumidos na European Union – EU 2020 target e nos protocolos de Kyoto e Paris (21ª Conferência das Nações Unidas sobre o Clima – COP21) de aumento máximo de 1,5°C na média da temperatura do planeta em 2050, muitos países estão fazendo grandes esforços para descarbonizar suas economias. O mundo enfrenta o desafio de reduzir drasticamente as emissões de gases de efeito estufa e, ao mesmo tempo, garantir segurança no abastecimento, confiabilidade no fornecimento de energia, modicidade tarifária, e ampliação do acesso à energia. O setor elétrico, que representa 19% do consumo final de energia (NEA, 2021), é um dos principais candidatos à descarbonização, devido à disponibilidade comercial de um conjunto diversificado de tecnologias de baixa emissão.
A intensidade média de carbono da eletricidade melhorou em 10% entre 2010 e 2018 como resultado de esforços que incluem melhorias na eficiência energética e a difusão de novas tecnologias, como a eólica e a solar (IEA, 2019a). No entanto, o setor elétrico ainda é o maior emissor de dióxido de carbono (CO2), respondendo por cerca de 40% das emissões de CO2 relacionadas à energia em 2020 (IEA, 2021).
Para alcançar as metas de descarbonização amplamente discutidas para 2050, é necessário reduzir as taxas médias de emissões de CO2 para uma faixa de 10 a 25 gramas de dióxido de carbono por quilowatt-hora de geração de eletricidade (gCO2/kWh) em todo o globo. Nesse contexto, a inclusão da energia nuclear pode se mostrar uma boa alternativa para a descarbonização.
O mundo está vivenciando uma onda de inovações nucleares que pode abrir novas oportunidades de médio e curto prazos para geração elétrica. Dentre elas, estão ganhando espaço os pequenos reatores modulares avançados (SMRs – Small Modular Reactors), que podem adicionar capacidade incremental às redes elétricas. Os SMRs são reatores avançados que podem gerar até 300 MW de eletricidade e cujas peças podem ser transportadas para os locais de instalação como módulos pré-fabricados.
O Plano Decenal de Energia (PDE) 2031, colocado em consulta pública pela EPE (2022), prevê no cenário de referência a entrada em operação comercial de Angra III, que representa a expansão nuclear no horizonte decenal, junto com a contratação de nova planta nuclear de 1.000 MW em 2031. A Energia Nuclear já tinha entrado no Plano Nacional de Energia – PNE 2050 (EPE, 2020), aprovado em dezembro de 2020, pelo MME, com a indicação de expansão de 8 a 10 GW (até 8 novas usinas) em 30 anos, voltando, assim, para o planejamento nacional. Assim, a previsão de expansão do parque termonuclear no PDE sinaliza a diretriz da política energética do governo federal.
Atualmente, vários sistemas avançados de reatores nucleares[1] – evoluções dos atuais reatores de geração III e III+, pequenos reatores modulares (SMR) e reatores de geração IV – estão em desenvolvimento e são capazes de oferecer opções mais flexíveis em relação ao fornecimento de energia (NEA, 2021), caso essas últimas alcancem maturidade tecnológica e competividade. O objetivo do artigo é, portanto, discutir os avanços e os desafios das novas tecnologias nucleares, com enfoque aos SMRs.
2. Papel da energia nuclear e dos SMRs na descarbonização da matriz energética
A NEA (2021a) identificou a contribuição potencial da energia nuclear nas reduções de emissões entre 2020 e 2050, considerando as contribuições energéticas e não energéticas da energia nuclear – com destaque os SMRs.
Gráfico 1 – Potencial total de contribuições nucleares para net-zero
Fonte: NEA (2021a).
Para a energia nuclear alcançar a audaciosa meta de 1.160 gigawatts de capacidade elétrica, seriam evitadas 87 giga toneladas de emissões acumuladas entre 2020 e 2050. Em 2050, a energia nuclear poderia deslocar 5 gigatoneladas de emissões por ano, o que é mais do que toda a economia dos EUA emite anualmente nos dias de hoje (NEA, 2021a).
Tabela 1 – Projeção das contribuições da energia nuclear para reduções acumuladas de emissões (2020-2050)
Nota: * Todas as emissões acumuladas de 2020 a 2050 são mostradas em giga toneladas de dióxido de carbono (GtCO2).
Fonte: elaborado a partir de NEA (2021a).
Para alcançar esse resultado (87 gigatoneladas de emissões evitadas), os formuladores de políticas públicas e os atores do setor nuclear devem agir rapidamente para viabilizar a produção em escala comercial das inovações nucleares no curto e médio prazos, incluindo SMRs, bem como sistemas nuclear de energia híbrida usando hidrogênio.
A energia nuclear tem características de valor além da eletricidade que produz. Pode aumentar a segurança energética e contribuir para cumprir metas climáticas e melhorar a qualidade do ar. Isso porque não emite poluentes atmosféricos perigosos – dióxido de enxofre, óxidos nitrosos e particulados – presentes na geração de eletricidade a partir de combustíveis fósseis, evitando assim os seus impactos adversos relacionados à saúde pública e aos ecossistemas.
No entanto, o ciclo do combustível nuclear produz resíduos radioativos que devem ser isolados com segurança durante séculos para proteger a saúde humana e o meio ambiente. Como outras usinas termelétricas, usinas de energia nuclear também usam grandes quantidades de água para o resfriamento, em que pode trazer riscos para as instalações nucleares e esgotamento dos recursos hídricos locais, especialmente se as plantas estão localizadas no interior. A análise dessas três questões, de emissões de dióxido de carbono (CO2), a disposição de lixo nuclear e as necessidades de águas, exigem atenção a nível global, sem diminuir a importância da completa avaliação ambiental local.
A indústria nuclear chama a atenção para o fato de que os reatores nucleares fornecem energia elétrica, com o mais baixo do ciclo de vida de emissão de dióxido de carbono ou outros GEE. Isto dá uma justificativa para a continuidade da operação de usinas nucleares, para estender sua vida através do relicenciamento, e para a construção de novas plantas. A Associação Nuclear Mundial (World Nuclear Association) estima que a geração de energia nuclear evita 2.600 milhões de toneladas por ano em comparação com queima de carvão. Além de reduzir as emissões de gases de efeito estufa, “o poder nuclear global tem impedido uma média de mortes relacionadas com a poluição do ar de 1.840.000”, que caso contrário teria ocorrido devido à queima de combustíveis fósseis (RAYMOND e HOLBERT, 2015).
3. Small modular reactors – SMRs
Historicamente, a energia nuclear é caracterizada por grandes reatores e por grandes torres de resfriamento. No entanto, nos últimos anos, isso vem mudando. Devido aos grandes custos e recorrentes atrasos para a entrada em operação dessas grandes usinas, vêm surgindo ideias de novos designs que contornam esses obstáculos. Nesse sentido, cada vez mais os pequenos reatores modulares (small modular reactors – SMRs) se mostram próximos da realidade. Cabe ressaltar que a Agência Internacional de Energia Nuclear (International Atomic Energy Agency – IAEA) define como um pequeno reator aquele cuja capacidade não seja superior a 300 megawatts (MW). Além disso, são projetados para serem construídos em fábricas e transportados para instalação conforme a demanda.
O desenvolvimento de SMR começou no início dos anos 1950 para propulsão naval como fontes de energia para submarinos nucleares e quebra-gelos. O termo “pequeno” significa que os reatores estão entre 10-300 MWe[2]. O valor mínimo garante que o reator é adequado para aplicações industriais, enquanto o valor máximo garante produção em série, correspondência com rede elétrica, entre outros (Betancourt et al, 2021). Já o termo “modular” significa que toda a unidade pode ser montada a partir de um ou mais submódulos. A implantação dos módulos pode ser realizada ao longo do tempo, tanto para se adaptar ao crescimento da carga regional quanto para atender às necessidades econômicas.
As motivações no desenvolvimento da tecnologia SMR vão desde atender a necessidade de geração de energia flexível para uma ampla gama de usuários e aplicações; flexibilidade de localização; opções para aplicação remota e até off-grid. Muitos SMRs são previstos para produção de energia elétrica onde grandes usinas nucleares não são viáveis, ou para substituição de usinas de combustível fóssil aposentadas e aplicações não elétricas, como produção de calor de processo industrial, dessalinização e produção de hidrogênio (NEA, 2011).
Existem atualmente mais de 50 novos projetos SMR em distintas fases de desenvolvimentoem países como EUA, Japão, China, Coréia, Rússia, França e outros. Além disso, estes projetos podem ser divididos em três grupos. O primeiro deles baseia-se nos conceitos anteriores dos projetos de reatores de água leve (PWR) amplamente usados. O segundo grupo consiste em SMRs resfriados a gás e estão relacionados a reatores de alta temperatura usando o combustível compacto TRISO. O terceiro grupo são os chamados SMRs resfriados por metal líquido avançado ou sal fundido, este último conta com menor experiência na instalação e operação de tais reatores.
3.1. Oportunidades
Há um crescente interesse nos SMRs, particularmente em locais remotos ou em países com redes menores. Os reatores pequenos têm as vantagens de atender às necessidades das comunidades locais, não demandam elevados investimentos, quando comparados à uma usina nuclear tradicional, e não requerem um sistema de transmissão de energia caro.
Chatzis (2020) aponta que os pequenos reatores modulares e os microrreatores conseguem fornecer energia com uma quantidade muito baixa de emissões de carbono, o que por si só se mostra relevante para a transição energética. Não obstante, devido ao seu menor tamanho, são mais flexíveis e mais acessíveis, de modo que podem ser utilizados em redes elétricas menores e com localização menos privilegiada. Isto é, em regiões em que grandes reatores não são práticos.
Harvey (2020) complementa a ideia de Chatzis (2020) ao afirmar que muitas das fontes renováveis têm caráter intermitente, ou seja, não podem atender à demanda de maneira ininterrupta e, sob determinadas condições, não são controláveis. Nesse sentido, as energias solar e eólica requerem fontes energéticas complementares e a nuclear pode se mostrar uma boa solução, uma vez que consegue gerar energia 24 horas por dia e 7 dias por semana de maneira ininterrupta. Assim, a energia nuclear, além de possuir baixo teor de carbono, traz segurança energética.
Devido à característica de modularidade dos pequenos reatores, existe grande flexibilidade para atender às demandas flutuantes por energia. Também vale ressaltar que são mais rápidos e menos complexos que os grandes reatores, já que podem ser construídos em fábricas. Embora os grandes reatores contem com economias de escala, os pequenos reatores podem ter sua reprodução caracterizada pela economia dos múltiplos. Os custos unitários de produção de SMRs, que são maiores do que os custos unitários dos grandes reatores, podem se beneficiar num futuro das economias de aprendizado, ou seja, o “learning by doing” ( Silva e Lorentz, 2021), .
De acordo com o World Nuclear Industry Status Report (2021), mesmo com a amplificação das discussões acerca de inovações na indústria nuclear, ainda não foi obtida nenhuma grande conquista industrial. Entretanto, um grupo de países já vêm desenvolvendo projetos de SMRs nos últimos anos. Dentre eles, destacam-se: Argentina, Canadá, China, Coreia do Sul, Estados Unidos, Índia, Reino Unido e Rússia. No final de 2020, pelo menos 16 Estados-Membros da IAEA tinham programas nacionais ativos de SMR e desenvolvimento da tecnologia, com a maioria deles sendo realizados através de colaboração internacional (IAEA, 2021a). As atividades globais de desenvolvimento de tecnologia de SMRs para implantação de curto prazo tiveram um progresso tangível.
3.2 Desafios
O objetivo principal do licenciamento de SMRs, em termos de regulação, é garantir a segurança das operações, das pessoas e do meio ambiente através da minimização de riscos de acidentes e de liberação de material radioativo. Tendo em vista o uso de tecnologias inovadoras combinado com as baixas potência e pressão das operações, é possível aumentar consideravelmente as margens de segurança em relação às operações nucleares tradicionais (GASPAR, 2020).
No entanto, devido à grande diversidade de designs de SMRs – seja de projetos já em operação ou em desenvolvimento – existe uma forte necessidade de se trabalhar no estabelecimento de uma tecnologia neutra para fortalecer os aspectos de segurança. Somente a neutralidade permitirá maior flexibilidade para incluir as inúmeras inovações da tecnologia de pequenos reatores modulares. A falta de uma estrutura comparativa nacional e/ou internacional para avaliar a segurança do projeto SMR, bem como a natureza proprietária dos projetos introduz não-uniformidade e incertezas na revisão regulatória. Nesse sentido, a colaboração entre os reguladores nucleares e as orientações fornecidas pela Agência Nacional de Energia atômica podem, conjuntamente, tornar o processo de licenciamento de SMRs mais eficiente. Além disso, vários olhares sobre a questão da segurança podem ser mais úteis que a ação individual de reguladores nacionais.
Por fim, além dos desafios relacionados à segurança dos pequenos reatores – que é diferente dos reatores tradicionais – há os desafios econômicos. De acordo com o World Nuclear Industry Status Report (2021), o desenvolvimento dos SMRs ainda está sujeito a custos crescentes e, mesmo sob as circunstâncias mais favoráveis, as perspectivas econômicas não são das mais favoráveis para o curto prazo.
Uma série de desafios precisariam ser enfrentados para viabilizar novos projetos, incluindo reduções de custo e padronização para melhorar a competitividade e acesso a financiamento em condições de igualdade com outras fontes de energia de baixo carbono. Será necessário um forte apoio político que reconheça a contribuição da energia nuclear para matriz energética de baixo carbono[3]. A promoção de SMRs para ampliar o papel da energia nuclear na descarbonização, inclusive por meio da produção de hidrogênio limpo, pode tornar a energia nuclear uma opção mais atraente para os investidores.
O objetivo comum do desenvolvimento do SMR é demonstrar que a construção modular pode atingir custos iniciais de capital mais baixos por meio de economias de produção em série, e que a simplificação do projeto e tempos de construção mais curtos podem levar a esquemas de financiamento mais acessíveis. Para ajudar os Estados-Membros da IAEA a alcançarem um entendimento comum das suas necessidades e especificidades em relação à tecnologia SMR, a Agência deu início ao desenvolvimento de requisitos e critérios genéricos para concepção e tecnologia SMR. O objetivo é fornecer um conjunto de requisitos políticos, técnicos e econômicos importantes para ajudar os países com a realização de avaliações da tecnologia dos reatores e no desenvolvimento dos documentos necessários à licitação. Espera-se que a implantação bem-sucedida dos SMRs na próxima década incentive mais países a adotarem a tecnologia e a participarem de projetos de P&D relevantes.
4. Conclusão
Embora seja uma tecnologia relativamente nova, já existem dois projetos de SMRs em operação comercial: um na Rússia, instalado em uma embarcação flutuante, e outro na China, que foi conectado à rede no final do ano de 2021. No entanto, alguns desafios significativos ainda se configuram como empecilhos para a expansão dos SMRs, sendo o principal deles a dificuldade de licenciamento, sobretudo em termos de segurança, devido à grande quantidade de designs diferentes para os projetos.
No que tange à obtenção de recursos para financiamento de projetos de geração de energia nuclear, este é um outro grande problema. O longo prazo para entrada em operação comercial e geração de receita, somado ao fato de constantes atrasos e sobrecustos, configuram um fator adicional de risco a esse tipo de projeto. Nesse sentido, um maior risco está associado a uma maior remuneração pelo financiamento, ou seja: maiores taxas de juros.
Tradicionalmente, a obtenção de recursos financeiros para os projetos de energia nuclear passava pela participação dos governos locais, que entravam ou como emprestadores ou como garantidores de empréstimos. No entanto, também com a crise financeira global de 2008, além do acidente com a usina de Fukushima em 2011, ficou comprometida a utilização de fundos públicos para esse tipo de projeto, tanto sob a ótica de equilíbrio orçamentário público quanto pela baixa aceitação popular. Para driblar esses obstáculos, novas modalidades de financiamento vêm ganhando destaque. Dentre elas, destaca-se a crescente participação do setor privado, seja através da emissão de títulos de longuíssimo prazo, compartilhamento de risco com fornecedores em troca de posição acionária minoritária, fundos soberanos, criação de sociedades de propósito específico, bem como a celebração de novos acordos de cooperação.
Para enfrentar os desafios associados à implementação dos reatores avançados, com destaque para os SMRs, acordos de cooperação bilateral são essenciais, sejam eles entre empresas ou países com vasta experiência nuclear. A cooperação pode ser um catalisador no enfrentamento dos desafios operacionais regulatórios existentes para produção em escala comercial e implementação dessa nova tecnologia. Na indústria nuclear, a inovação exige maior envolvimento e cooperação entre agentes, que potencializam as habilidades individuais em ambientes coletivos.
5. Referências
BETANCOURT et al (2021). Simulação Neutrônica do Núcleo de um Reator Nuclear do Tipo iPWR Usando o Código Serpent. Neutronic Simulation of the iPWR Nuclear Core Using a Serpent Code. Vetor, Rio Grande, vol. 31, no. 1, pp. 84–93, 2021.
CHATZIS, I. (2020). Small Reactos, Great Potential. IAEA Bulletin – Nuclear Power and the Clean Energy Transition, vol 61 (3). Setembro de 2020.
EPE (2020). Plano Nacional de Energia – PNE 2050. Ministério de Minas e Energia. Empresa de Pesquisa Energética. Brasília: MME/EPE, 2020.
EPE (2022). Plano Decenal de Expansão de Energia 2031. Versão para consulta pública. Ministério de Minas e Energia. Empresa de Pesquisa Energética. Brasília: MME/EPE, 2022
GASPAR, M. (2020). Safety and licensing of small modular reactors: a technology-neutral approach. IAEA Bulletin – Nuclear Power and the Clean Energy Transition, vol 61 (3). Setembro de 2020.
HARVEY, S. (2020). Smart, Stable, Reliable. IAEA Bulletin – Nuclear Power and the Clean Energy Transition, vol 61 (3). Setembro de 2020.
IEA (2019a), Global Energy & CO2 Status Report: The latest trends in energy and emissions in 2018, International Energy Agency, Paris.
IEA (2021). World Energy Outlook 2021, International Energy Agency, Paris.
MIT (2018). The Future of Nuclear Energy in a Carbon-Constrained World. MIT Energy Initiative, 2018.
NEA – Nuclear Energy Agency. Current Status (2011). Technical Feasibility and Economics of Small Nuclear Reactors; Organisation of Economic Cooperation and Development: Paris, France, 2011.
NEA (2021). Advanced Nuclear Reactor Systems and Future Energy Market Needs.
NEA (2021a) Climate Change Targets – The Role of Nuclear Energy. OCDE, 2021.
RAYMOND, M., HOLBERT, K. E. (2015) Seventh Edition. Nuclear Energy: An Introduction to the Concepts, Systems and Applications of Nuclear Processes, Elsevier.
Silva, G.N, Lorentz, L. (2021). Pequenas nucleares na retomada verde, inovação com uma pitada de retrocesso. Ensaio Energético, 01 de novembro, 2022.
Notas
Artigo baseado em pesquisa realizada em parceria com o Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada (Ipea)
[1] Projetos de reatores são classificados em gerações. Os primeiros reatores nucleares comerciais construídos no final dos anos 1950 e 1960 são classificados como sistemas da Geração I. Os sistemas da Geração II incluem reatores comerciais que foram construídos de 1970 a 1990. Os reatores da Geração III são projetos comerciais que incorporam melhorias evolutivas em relação aos sistemas da Geração II. Geração-IV é a classificação usada para descrever um conjunto de projetos de reatores avançados (MIT, 2018). Na classificação de novas tecnologias que se enquadram na IV Geração estão os reatores rápidos refrigerados a metal líquido (sódio, chumbo), reatores avançados de alta temperatura e refrigerados a gás, os reatores que utilizam queima não convencionais – CANDLE e molten sal –, e de conversão direta.
[2] O termo MWe que corresponde a megawatt elétrico, é usado para se referir à energia elétrica gerada. Uma usina nuclear gera energia térmica (medido em MWt que corresponde a megawatt térmico), posteriormente a usina transforma essa energia em eletricidade (MWe).
[3] Cerca de dois gigatoneladas de dióxido de carbono são evitadas a cada ano devido à energia nuclear.
Sugestão de citação: Rodrigues, N. (2022). Raeder, F. Avaliando o potencial dos Small Modular Reactors (SMRs) para a indústria nuclear. Ensaio Energético, 12 de julho, 2022.
Editora-chefe do Ensaio Energético. Economista pela UFRRJ, mestre em Economia Aplicada pela UFV e doutora em Economia pela UFF. Professora do Departamento de Ciências Econômicas da UFF, professora do Programa de Pós Graduação em Economia (PPGE/UFF) e pesquisadora do Grupo de Energia e Regulação (GENER/UFF).
Autor Fixo e Editor dos Indicadores do Ensaio Energético. Formado em Economia, Mestre e Doutorando em Economia pela Universidade Federal Fluminense (UFF). É professor substituto da Faculdade de Economia da UFF e pesquisador do Grupo de Energia e Regulação (GENER/UFF).
[…] a serem superados para que sejam amplamente adotados. O artigo anterior, intitulado “Avaliando o Potencial dos Pequenos Reatores Modulares (SMRs) para a Indústria Nuclear“, discutiu se a energia nuclear pode ser a solução para alcançar as metas de […]