Reactores a tório: o futuro da energia nuclear de fissão

Dissertação para a obtenção do grau de mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Energia

A geração de energia eléctrica a partir de energia nuclear sob a forma de fissão afigura-se cada vez mais importante uma vez que a utilização de combustíveis fósseis terá necessariamente um fim, relacionado sobretudo com a crescente dificuldade de acesso a reservas desses combustíveis. Com o presente trabalho pretende-se discutir as vantagens e os inconvenientes da utilização do tório em reactores nucleares relativamente aos reactores tradicionais a operar a urânio. É abordada a história da fissão nuclear, como surgiu e as diversas etapas históricas sobre acontecimentos relevantes para o tema. Descrever-se-ão os constituintes de um reactor nuclear, o seu funcionamento e alguns tipos de reactores de fissão mais comuns a operar um pouco por todo o mundo. Seguidamente será analisado o elemento tório, nomeadamente a sua descoberta e proveniência, a sua abundância no planeta e em que medida este elemento poderá ser competitivo no sistema energético à escala mundial, salientando os prós e contras da sua utilização em reactores. Abordar-se-ão também aspectos relacionados com o U-233, isto é, a sua possível utilização em bombas visto ser um elemento fissionável,características importantes do elemento a favor da não proliferação nuclear e também comparativamente ao U-235 e U-238 como combustível nuclear. É também discutida aprimeira experiência a nível mundial com um reactor a tório e o ciclo que possibilita obter energia a partir do elemento. É feita uma abordagem aos reactores nucleares capazes de utilizar o tório como combustível, quer sejam reactores em que a tecnologia utilizada para o urânio permite ser adaptada para a introdução do tório, quer sejam diversas experiências em que sãorealizados estudos em tecnologias específicas a fim de ser possível implementar e desenvolver reactores a tório capazes de operar a uma escala comercial. Finalmente, apresenta-se um caso específico de uma situação que permiteestabelecer uma comparação entre o custo de uma central a operar a urânio e a mesma central operando com o tório como combustível. O estudo é concluído com as principais conclusões que se podem tirar relativamente à utilização do tório como combustível em futuros reatores nucleares.

Abstract: Electric energy generated from nuclear energy, in fission form, seems to be more and more important according to the fact that utilization of fossil fuels will have necessarily an end, that is related most of all with the growing difficulty to access to those fuel reserves. This study aims to discuss the advantages and the inconvenient of thorium utilization in nuclear reactors comparatively to those operating with uranium. The story of nuclear fission is approached, how it was discovered and also several historical stages about relevant events to the topic. It will be described the main components of a nuclear reactor, his operation and some types of other common nuclear reactors operating across the world. Afterwards, the analysis will focus on thorium element, namely his discovery and origin, his abundance in the planet and how this element can be competitive in the global energy system, emphasizing the positive and negative points of it utilization in nuclear reactors. The aspects related with the possible utilization of U-233 in bombs will be also mentioned, according to U-233 as a fissile element, his important characteristics in support of non-proliferation of nuclear weapons and also comparatively to U-235 and U-238 as nuclear fuel. Is also discussed the first thorium nuclear reactor experiment in the world and the thorium cycle that allows acquire energy from the element. An approach is made to nuclear reactors capable of utilizing thorium as a fuel, such as reactors where the technology used for uranium can be adapted to allow the introduction of thorium, as also several experiments where studies are made on specific technologies to achieve the possibility of implement and develop thorium nuclear reactors able to operate on a commercial scale. Finally, is presented a specific case that allows to establish a comparison between the cost of a nuclear power plant operating on uranium and the same power plant operating on thorium as nuclear fuel. The study ends with the main conclusions observed relatively to thorium utilization as a nuclear fuel in future nuclear reactors.