Pequenos reatores modulares (SMRs): desafios em segurança, gestão de resíduos e aceitação pública

Introdução

A crescente demanda por eletricidade de baixo carbono tem levado muitos países a considerar a energia nuclear para atender às suas necessidades de energia, já que as usinas nucleares emitem pouco dióxido de carbono, um dos principais causadores do aquecimento global. A indústria nuclear, que tem sido uma importante fonte de energia em todo o mundo há várias décadas, enfrenta desafios significativos, como a segurança e o alto custo de construção de usinas nucleares convencionais. No entanto, os pequenos reatores modulares (SMRs) surgem como uma nova aposta para a indústria nuclear.

Os SMRs são reatores nucleares de pequena escala projetados para gerar eletricidade em quantidades menores em comparação com as usinas nucleares tradicionais. Possuem capacidade de geração de energia de até 300 megawatts elétricos (MWe), o que é muito menor do que as usinas nucleares convencionais, que podem gerar até 1.000 MWe ou mais. Além disso, são projetados para serem modulares e transportáveis, o que torna o processo de construção mais rápido e mais econômico. Eles também oferecem vantagens em termos de segurança e flexibilidade.

Embora os SMRs apresentem vantagens em relação às usinas nucleares convencionais, existem desafios significativos 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 descarbonização até 2050. Além disso, foram avaliados os desafios financeiros na implementação desses projetos e as dificuldades relacionadas à grande variedade de designs de SMRs. Neste artigo, serão discutidos os principais desafios enfrentados pelos SMRs em termos de segurança, gestão de resíduos nucleares e aceitação pública, bem como possíveis soluções para superá-los.

Pequenos reatores modulares (SMRs)

Devido à sua capacidade reduzida em comparação com os reatores tradicionais, os SMRs requerem menos capital para serem construídos e têm um tempo de entrada em operação comercial significativamente menor. Além disso, eles são projetados de forma modular, permitindo que várias unidades sejam instaladas em um mesmo local, aumentando assim a capacidade de geração de energia. Construídos em fábrica e transportados para o local de instalação, os SMRs oferecem um processo de construção mais rápido e econômico.

No entanto, os SMRs não podem contar com as economias de escala que são obtidas com o aumento da produção. Acredita-se, no entanto, que os SMRs possam se beneficiar de learning by doing, o que pode levar a uma queda nos custos unitários de produção ao longo do tempo. Portanto, existe um potencial para que os pequenos reatores modulares assumam um papel importante na indústria nuclear nos próximos anos.

Os SMRs foram pensados para proporcionar maior segurança, menor custo, maior flexibilidade e menor impacto ambiental em comparação com as usinas nucleares convencionais. Além disso, eles podem ser usados para fornecer energia para áreas remotas e regiões com baixa demanda de eletricidade.

No entanto, ainda existem alguns desafios que precisam ser superados, como a geração e manejo de resíduos nucleares, a localização das instalações de SMRs, a necessidade de cooperação para a consolidação do design dominante e a disseminação dos reatores. Além disso, as sanções contra a Rússia podem afetar a indústria nuclear, uma vez que o país detém considerável know-how e é o país com o maior número de acordos de cooperação nuclear (Jewell et al., 2019), principalmente após a invasão à Ucrânia.

Atualmente, existem apenas alguns modelos de pequenos reatores modulares (SMRs) em funcionamento em todo o mundo. A Rússia é pioneira em seu desenvolvimento, especialmente nos modelos de água leve (Light Water Reactor – LWR). O primeiro SMR desenvolvido no país foi o KLT-40S, que funciona como uma espécie de usina nuclear flutuante, já que está instalado em uma barcaça. Além do KLT-40S, mais dois SMRs do mesmo tipo, de 35 MW cada, foram comissionados em maio de 2020, em um barco chamado Akademik Lomonosov (Chatzis, 2020). Embora este segundo projeto tenha sofrido atrasos e elevações nos custos, a Rosatom, estatal russa que desenvolveu o projeto, afirma que a tecnologia é altamente competitiva e contribuirá para o desenvolvimento sustentável (WNN, 2019).

Figura 1 – SMR flutuante da Rússia – Akademik Lomonosov

Fonte: Reuters

Além dos mencionados SMRs, a Rosatom anunciou planos de desenvolver reatores em terra chamados de RITM-200N, em Yakutia, extremo leste da Rússia. Se a construção for realizada, será o primeiro pequeno reator modular em terra no país. As obras devem começar em meados de 2024 e o comissionamento está previsto para 2027. A substituição da energia proveniente do carvão por SMRs pode resultar em emissões líquidas iguais a zero na região do Ártico até 2040. Isso significa que a adoção de SMRs poderá ajudar a região a atingir a neutralidade climática. (Chatzis, 2020).

Outro modelo é o SMR de tipo NuScale, desenvolvido pela empresa americana NuScale Power. Este modelo foi projetado para ser modular, com capacidade de geração de energia de 60 MWe por unidade. Em 2020, a Comissão Reguladora Nuclear dos Estados Unidos concluiu a revisão do projeto de segurança do SMR de tipo NuScale, tornando-o o primeiro SMR a receber uma avaliação positiva do órgão regulador nos Estados Unidos.

Além disso, nos últimos 10 anos, o Departamento de Energia dos Estados Unidos (US DOE) vem investindo milhares de dólares em projetos de pesquisa e desenvolvimento de pequenos reatores modulares, já que esse tipo de tecnologia é um objetivo a ser alcançado pelo país. Como exemplo, o US DOE concedeu inicialmente US$ 80 milhões para a X-Energy e outros US$ 80 milhões para a Terrapower, para que essas empresas possam testar, obter licenças e construir SMRs em um período de até 7 anos no estado de Washington. É importante destacar que cada empresa ainda deve receber mais recursos, que podem variar de US$ 400 milhões a US$ 4 bilhões nesse mesmo período (IAEA, 2020).

Diversos outros modelos de SMRs encontram-se em diferentes fases de desenvolvimento e testes, apresentando opções mais flexíveis no que diz respeito ao fornecimento de energia. Além dos Estados Unidos e da Rússia, países como China, Japão, França, Coreia do Sul e Canadá têm investido significativamente em recursos financeiros para o desenvolvimento dos SMRs.

Desafios: Riscos do descarte dos resíduos radioativos

Embora os SMRs sejam apontados como o futuro da energia nuclear devido às suas vantagens em custos e segurança em relação aos reatores tradicionais existentes, o impacto que esses ciclos de combustível terão no gerenciamento e descarte de resíduos nucleares tem sido negligenciado.

Diversos tipos de resíduos nucleares são produzidos durante o ciclo do combustível atômico, variando desde objetos contaminados pelo contato com materiais radioativos até o combustível utilizado no processo e os resíduos do reprocessamento. A composição desses resíduos depende de fatores como o combustível utilizado, o projeto físico e os materiais usados para fazer o reator. Tais resíduos podem ser classificados como de baixo[1], médio[2] e alto nível[3], além de serem divididos em resíduos de vida longa e de vida curta (IEA, 2015).

A tecnologia para o tratamento, armazenamento e disposição de resíduos de baixo e médio nível já está bem desenvolvida na grande maioria dos países com programas nucleares operacionais. O combustível utilizado no processo contém grandes quantidades de radioatividade, mas possui produtos de vida curta. Eles devem ser armazenados sob condições controladas por diversas décadas antes da disposição final, enquanto os produtos da fissão decaem.

Inicialmente, o armazenamento do combustível é feito em uma piscina de água, no mesmo local do reator, pois a água é um bom material de resfriamento e proteção. À medida que resfria, ele pode ser transferido para um armazenamento a seco, se necessário. Por sua vez, os resíduos líquidos de alto nível gerados a partir do reprocessamento de combustível são vitrificados em recipientes de metal para o armazenamento.

Para países com programas estabelecidos de energia nuclear, o gerenciamento de combustível irradiado de SMRs não representa um desafio se optarem por tecnologias atuais (IAEA, 2019), pois possuem vasta experiência e infraestrutura adequada no local. No entanto, reatores que produzem grandes quantidades de resíduos, como os incomuns ou os que requerem novos métodos de disposição, podem enfrentar desvantagens competitivas consideráveis em relação aos que produzem resíduos gerenciáveis com as práticas existentes.

Poucos estudos avaliaram o impacto dos SMRs no gerenciamento e descarte de resíduos nucleares em relação aos reatores de design tradicional. Os primeiros trabalhos apontavam que os SMRs gastariam menos combustível nuclear ou gerariam menos resíduos de alto nível por gigawatts do que um reator tradicional de água pressurizada (PWR). Por exemplo, Wigeland et al. (2014) encontraram que reatores avançados reduziriam a massa e a radioatividade de longa duração de HLW (high level waste) entre 94% e 80%, respectivamente. No entanto, ao realizarem uma comparação detalhada de três projetos distintos de SMR – resfriados a água, sal fundido e sódio -, Krall et al. (2022) descobriram que os pequenos reatores nucleares produziriam de duas a trinta vezes mais resíduos radioativos com necessidade de gerenciamento e descarte por unidade de energia do que usinas nucleares convencionais.

As características dos fluxos de resíduos analisados por Krall et al (2022) revelam que os SMRs produzirão resíduos mais volumosos e quimicamente/fisicamente mais reativos do que os LWRs, o que afetará as opções de gerenciamento e disposição desses resíduos. Em termos práticos, os SMRs gerarão mais resíduos radioativos do que usinas nucleares convencionais. Além disso, o combustível usado no SMR exigirá novas abordagens para avaliar a criticidade durante o armazenamento e descarte.

Os materiais radioativos produzidos pelos reatores nucleares precisam ser gerenciados com muito cuidado antes do descarte, o que pode aumentar significativamente os custos e os riscos associados ao descomissionamento nuclear. No caso do LWR, os custos de gestão e eliminação de resíduos correspondem a cerca de 20% do total. Alguns projetos de reatores modulares utilizam combustíveis e refrigerantes quimicamente exóticos que podem produzir resíduos difíceis de gerenciar para o descarte. Dos 70 projetos de SMR listados no Sistema de Informação de Reatores Avançados da Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA), aproximadamente 30 são considerados reatores avançados e exigem refrigerantes que são raramente usados (como hélio, metal líquido ou sal fundido).

Em resposta ao artigo de Krall et al (2022), a NuScale Power Corp. e a Terrestrial Energy, que tiveram seus projetos avaliados no estudo, se pronunciaram em uma publicação da Reuters (2022). Diane Hughes, porta-voz da NuScale, afirmou que o estudo utilizou informações desatualizadas e fez suposições incorretas sobre as usinas. Simon Irish, presidente-executivo da Terrestrial Energy, afirmou que sua usina geraria menos resíduos por unidade de energia e que a empresa está desenvolvendo um processo de conversão para tornar os resíduos geologicamente mais estáveis do que os resíduos dos reatores atuais. A Toshiba, que também teve seu projeto avaliado no estudo, não se pronunciou.

A mensagem para a indústria e investidores é que o ciclo final do combustível de uma usina SMR pode apresentar custos ocultos que precisam ser levados em conta. É necessário realizar mais estudos para avaliar o problema do alto nível de radiação de longo prazo do combustível nuclear utilizado. Além disso, os repositórios geológicos para os resíduos de reatores modulares precisam ser selecionados com cuidado.

Para os países que possuem programas estabelecidos de energia nuclear, a gestão do combustível irradiado das SMRs não deve representar um desafio, desde que optem por implementar SMRs baseadas em tecnologias tradicionais. Já os países novos na energia nuclear devem considerar cuidadosamente a gestão do combustível irradiado.

Desafio: Localização das instalações dos SMRs

A localização das instalações dos SMRs também apresenta desafios significativos, mesmo com seu tamanho reduzido em comparação a outros tipos de reatores. Os desenvolvedores de reatores precisam começar a identificar potenciais locais para seus primeiros projetos comerciais. A opinião pública sobre a energia nuclear foi historicamente influenciada por preocupações com a segurança energética e acidentes graves. A implantação bem-sucedida dos SMRs depende de um forte apoio público, que pode se mostrar resistente à instalação em localidades específicas. No entanto, uma pesquisa conduzida por Gupta et al (2019) descobriu que nos EUA, o apoio para novas tecnologias nucleares, especificamente para pequenos reatores modulares, é maior do que para a indústria nuclear tradicional de grande escala. Embora nenhum projeto comercial de reatores avançados tenha sido construído nos Estados Unidos, Lovering et al (2021) e Lovering e Allen (2022) destacaram três exemplos de escolhas de localização e desenvolvimento de projetos.

O primeiro exemplo é o da Utah Associated Municipal Power Systems (UAMPS) em parceria com a empresa SMR NuScale. Juntos, desenvolveram o Carbon Free Power Project (CFPP) – candidato a primeiro SMR comercial a ser construído no país. Um aspecto favorável ao projeto é a proximidade com o Laboratório Nacional de Idaho do Departamento de Energia dos EUA (DOE), região na qual a UAMPS atua e possui experiência com tecnologias de energia nuclear. Para o desenvolvimento do CFPP foi lançada uma parceria público-privada entre o DOE e o UAMPS. Esse arranjo deu ao projeto acesso a recursos de pesquisa, equipe experiente e financiamento federal para manter o programa.

O segundo e terceiro exemplos foram financiados em 2020 pelo Programa de Demonstração de Reator Avançado. O DOE concedeu à TerraPower e à X-energy, US$ 80 milhões cada para construir uma demonstração de SMR comercial que começará a operar em 2027. As duas empresas adotaram estratégias distintas na escolha da localização em que o reator será instalado.

Após amplo envolvimento da comunidade, a TerraPower anunciou em 2021 que escolheu instalar seu projeto em Wyoming, na comunidade de Kemmerer. A unidade será instalada perto de uma usina a carvão programada para descomissionar em 2025. Apesar da região não operar nenhuma usina nuclear comercial, eles possuem uma longa história na mineração de urânio e usinas a carvão. O projeto TerraPower tem o apoio do governo estadual, bem como da indústria local de mineração de urânio.

Por outro lado, a X-energy escolheu uma área em Richland, Washington, para sua primeira demonstração de reator. Apesar da empresa ter escolhido instalar o novo reator em um local já familiarizado com atividades nucleares, a X-energy terá que enfrentar o sentimento público antinuclear preexistente em um estado que é menos favorável à energia nuclear do que Wyoming. Essas condições podem ser desafiadoras para X-energy.

Há uma grande variedade de tamanhos e tipos diferentes de SMR previstos, com muito mais cenários de implantação do que aqueles utilizados para a primeira geração de usinas de energia nuclear. Isso gera incertezas para a população, e, portanto, é importante que a indústria envolva a comunidade para otimizar a chance de sucesso.

As melhores práticas de localização e envolvimento da comunidade sugerem que os fornecedores devem procurar regiões e comunidades que provavelmente apoiarão a energia nuclear e desenvolver projetos que gerem benefícios relevantes e riscos mínimos para a comunidade local (Lovering et al, 2021).

Para promover projetos de reatores nucleares avançados, o Good Energy Collective propôs 4 elementos que devem ser incluídos em programas governamentais para incentivar abordagens baseadas em consentimento, tais como (Lovering et al, 202; e Baker et al, 2021):

1. Criar e financiar uma agenda de ciências sociais para alcançar uma adoção mais equitativa de tecnologias de reatores avançados e cumprir a responsabilidade do governo federal sobre resíduos nucleares, garantindo a participação da comunidade no desenvolvimento desses projetos.
2. Reconhecer o papel da energia nuclear na descarbonização da matriz.

iii. Realizar parcerias de desenvolvimento de pesquisa e demonstração com países que possuem experiência com a tecnologia e que promovam o melhor em tecnologia, economia, políticas públicas e ciências sociais.

1. Adotar uma abordagem sociotécnica que integre a consideração de tecnologia, geografia, economia, política, questões sociais e contexto histórico. Uma ferramenta útil nesse sentido é a Fastest Path to Zero Initiative, desenvolvida pela Universidade de Michigan, que ajuda os desenvolvedores a entender a interseção de questões sociais, econômicas e técnicas que devem ser consideradas ao pesquisar a localização de projetos nucleares.

Conclusão

Em resumo, os SMRs (Reatores Modulares Pequenos) são reatores nucleares avançados que estão ganhando atenção como uma maneira de gerar eletricidade com baixa emissão de carbono. No entanto, existem desafios significativos associados aos SMRs, especialmente em relação à localização das instalações e ao eventual gerenciamento de resíduos radioativos.

É necessário primeiro conquistar a opinião pública e superar as inseguranças em relação ao risco de acidentes nucleares e gerenciamento de resíduos radioativos. As melhores práticas para localizar os SMRs sugerem que os fornecedores devem procurar regiões e comunidades mais inclinadas a apoiar a energia nuclear e, em seguida, desenvolver projetos que gerem benefícios relevantes e riscos mínimos para a comunidade local. Outra questão relevante são os riscos associados à manipulação de material radioativo e ao descarte de resíduos de SMRs. Os pequenos reatores podem gerar mais resíduos radioativos do que as usinas nucleares convencionais, e o tipo de combustível e refrigerante usados nos SMRs podem exigir novas abordagens para avaliar a criticidade durante o armazenamento e o descarte.

A resolução desses dois desafios são pontos chave para alavancar o desenvolvimento e consolidação dessa nova tecnologia nuclear disponível. Nesse sentido, a cooperação internacional se mostra indispensável para o avanço da indústria. No entanto, as consequências geopolíticas do conflito armado entre Rússia e Ucrânia podem prejudicar a indústria nuclear de várias maneiras, incluindo acordos de cooperação para resolução dos pontos relativos à localização e gerenciamento de resíduos, bem como para o estabelecimento de um design dominante para os SMRs.

Referências

Baker, S., Lovering, J., Slaybaugh, R. (2021). Our progressive policy agenda for advanced nuclear energy: Recommendations for advanced nuclear technologies as part of the U.S. climate change response Aug. 2, 2020, Good Energy Collective, Disponível em <https://www.goodenergycollective.org/policy/progressive-policy-agenda-for-advanced-nuclear-energy> Acesso em setembro de 2022.

Chatzis, I. (2020). Small Reactos, Great Potential. IAEA Bulletin – Nuclear Power and the Clean Energy Transition, vol 61 (3). Setembro de 2020.

Gupta, K.; Nowlin, M.C.; Ripberger, J.T.; Jenkins-Smith, H.C.; Silva, C.L. Tracking the nuclear ‘mood’ in the United States: Introducing a long-term measure of public opinion about nuclear energy using aggregate survey data. Energy Policy 2019, 133, 110888.

IAEA (2019). International Atomic Energy Agency. Management of Spent Fuel from Nuclear Power Reactors Learning from the Past, Enabling the Future. IAEA Bulletin. Vienna, Austria.

IEA (2015). International Energy Agency – Energy Technology Perspectives 2050 – Mobilizing Innovation to Accelerate Climate Action.

INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY – IAEA (2020). Technical Cooperation Report for 2020. Report by the Director General. GC(65)/INF/4, july, 2021.

Jewell, J.; Vitier, M.; Garcia-Cabrera, D. (2019). The international technological nuclear cooperation landscape: a new dataset and network analysis. Energy Policy 128 (2019) pp. 838-852.

Krall, L. M. Macfarlane, A. M., Ewing, R. C. (2022). Nuclear waste from small modular reactors. PNAS – ENVIRONMENTAL SCIENCES. Vol. 119 No. 23.

Lovering, J. R., Allen, T. R. (2022). Social license in the deployment of advanced nuclear technology. Disponível em <https://www.ans.org/news/article-4253/social-license-in-the-deployment-of-advanced-nuclear-technology/> Acesso em setembro de 2022.

Lovering, J. R., Baker, S. H., Allen, T. R. (2021). Social license in the deployment of advanced nuclear technology. Energies, 14, 4304 (2021), https://doi.org/10.3390/en14144304.

Reuters (2022). Small nuclear power projects may have big waste problems -study. Disponível em <https://www.reuters.com/business/environment/small-nuclear-power-projects-may-have-big-waste-problems-study-2022-05-31/> Acesso em agosto de 2022.

Wigeland et al (2014) “Nuclear Fuel Cycle Evaluation and Screening—Final Report: Appendix C, Evaluation Criteria and Metrics” (Rep. INL/EXT-14-31465 FCRD-FCO-2014-000106, Idaho National Laboratory).

WNN (2019). World Nuclear News. Disponível em: https://www.world-nuclear-news.org/Articles/Russias-floating-plant-reaches-final-destination. Acesso em 06/01/2022.

WNN (2019b). World Nuclear News. Disponível em: https://www.world-nuclear-news.org/Articles/Doosan-to-participate-in-NuScale-SMR-development. Acesso em 02/01/2022.

Notas

Artigo baseado em pesquisa realizada em parceria com o Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada (Ipea)

[1] Os resíduos de baixo nível (LLW), são materiais que vem de instalações nucleares. Normalmente são itens que tiveram contato com pequenas partes de radioatividade de curta duração. A maior parte do lixo gerado em descomissionamento de usinas nucleares são LLW. Por exemplo, macacões, seringas, containers.

[2] Os resíduos de nível intermediário (ILW) surgem a partir de processos industriais, por exemplo, equipamentos utilizados com os materiais nucleares ou resinas de troca iônica utilizados na limpeza de líquidos radioativos. Ele normalmente gera calor desprezível, mas emite radiação, que podem ser de curta ou de longa duração, e geralmente requer blindagem.

[3] Os resíduos de alto nível (HLW) é o produto mais radioativo do ciclo do combustível nuclear. Pode ser o combustível utilizado ou produtos líquidos ou sólidos de reprocessamento de combustível radioativo. E deve ser fortemente blindado e geralmente requer refrigeração.

Sugestão de citação: Rodrigues, N.; Raeder, F. Pequenos reatores modulares (SMRs): desafios em segurança, gestão de resíduos e aceitação pública. Ensaio Energético, 16 de abril, 2023.

Niágara Rodrigues

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).

Francisco Raeder

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).