ESTRATÉGIA PARA GESTÃO DE COMBUSTÍVEL NUCLEAR USADO EM USINAS NUCLEARES E NO BRASIL

Até 2050, o consumo global de energia deverá aumentar em cerca de 30% e um grande esforço será necessário para descarbonização da matriz energética mundial. Nesse contexto, mesmo após o terremoto de Fukushima, há um interesse renovado na energia nuclear, por seu potencial de fornecer grandes quantidades de energia segura e de baixo carbono [1]. No entanto, entender e ter bem definido o futuro do combustível nuclear usado (SF) é de grande importância para garantir a sustentabilidade de longo prazo [2; 3; 4].

Selecionar a melhor estratégia para a estratégia para a gestão do combustível nuclear usado (SF) é um desafio mundial. As estratégias disponíveis exigem investimentos governamentais significativos para se tornarem realidade e sua construção pode levar décadas. Por outro lado, elas garantem a disposição segura e, eventualmente, permitirão a reutilização da enorme quantidade de energia dentro do SF. Com a previsão de expansão da geração nuclear no Brasil, será necessário o aprofundamento dos estudos relacionados à gestão e estratégia do combustível nuclear gerado pelos reatores nucleares para sustentabilidade do setor.  

CILCO DE VIDA DO COMBUSTÍVEL NUCLEAR

O SF é gerado a partir da operação de reatores nucleares de todos os tipos, incluindo pesquisa, produção de isótopos, produção de energia, e reatores de propulsão. O SF contém grande quantidade de energia, mesmo após período mínimo (aproximadamente 4 anos) de resfriamento em uma piscina de combustível usado (SFP). Ele pode ser reprocessado, gerando mais energia e rejeitos de alta atividade (HLW), ou se o país decidir não reprocessá-lo, ele também pode ser declarado como HLW. Em volume, o SF/HLW são menos do que 1% do volume global de rejeitos radioativos gerados, mas consiste em cerca de 95% da atividade total [5]. O descarte do SF/HLW é realizado através da sua deposição em repositório de formação geológica [6].

O ciclo de vida do combustível nuclear (NFC) termina com a gestão segura, protegida e sustentável do combustível nuclear, onde são consideradas duas opções:

• Ciclo Fechado (CFC) que inclui seu armazenamento por alguns anos até o decaimento necessário dos seus radionuclídeos e resfriamento, seguido por seu reprocessamento “reciclagem” e descarte final, em uma instalação de depósito geológico (GDF) e;
• Ciclo Aberto (CFC), e com a disposição direta final (GDF) dos elementos combustíveis, após seu período de armazenamento para resfriamento mínimo. [7; 8; 4].

Estratégias para gestão de combustível nuclear usado

1. Reprocessamento

O reprocessamento é um processo ou operação com o propósito de extrair isótopos radioativos do combustível usado para uso posterior [9], com objetivo de aproveitar parte de sua energia remanescente, para fabricar um novo combustível e subprodutos [12]. As operações de reprocessamento geram rejeitos sólidos, líquidos e gasosos, e rejeito de alta atividade (HLW) para disposição final [10].

O reprocessamento de SF em outros países não é uma atividade fácil, mas é algo que tem sido feito ao longo dos anos e, com o envio de SF para reprocessamento fora em outro país, e retorno de HLW. Apesar das dificuldades e preocupações com salvaguardas e segurança, o transporte de SF tem sido feito por décadas com segurança e com tecnologia consolidada [5; 11].

Além de toda a energia que ainda existe no SF, selecionar a opção de reprocessamento pode ter um bom custo-benefício devido à vantagem de reduzir o material nuclear e a redução dos custos de armazenamento, que podem facilmente chegar a centenas de milhares de dólares [10]. Portanto, os aspectos econômicos devem ser cuidadosamente avaliados. Vários países europeus, Rússia, China e Japão têm políticas para reprocessar SF, embora as políticas governamentais em muitos outros países ainda não tenham chegado a ver o SF como um recurso ao invés rejeito.

Até agora, cerca de 400.000 toneladas de combustível usado foram descarregados de reatores de energia comerciais, das quais cerca de 30% foram reprocessadas. A capacidade atual de reprocessamento comercial é de cerca de 2.000 toneladas por ano, conforme mostrado na tabela 1 [13 e 1].

Table 1 – Plantas de reprocessamento operacionais no mundo [1].

País	Nome do sítio	Data de comissionamento	Capacidade                    (tHM YEAR -1)	Tipo de Combustível
UK	SELLAFIELD, MAGNOX	1964	1500	MAGNOX
	SELLAFIELD, THORP	1994	1000	LWR + AGR
FRANCE	LA HAGUE, UP2-800	1990	800	LWR
	LA HAGUE, UP3	1990	800	LWR
RUSSIAN	MAYAK, BB, RT-1	1976	400	LWR
JAPAN *	ROKKASHO	2005	800	LWR
INDIA	TARAPUR	1982	100	PHWR
	KALPAKKAM	1998	100	PHWR + FBR
	TARAPUR	2011	100	PHWR

2. Disposição de Combustível usado (SF) e Rejeito de alta atividade (HLW)

Disposição (Disposal) é o descarte e colocação de rejeitos em uma instalação apropriada sem a intenção de recuperação. Se a recuperação dos rejeitos em qualquer momento no futuro for pretendida, o termo “armazenamento” (Storage) é usado [11]. É a última etapa do gerenciamento de rejeitos. O HLW e SF (quando declarado como rejeito radioativo) exigem descarte em um repositório subterrâneo geológico (GDF) [14].

Existem três países com os programas de projeto e construção de GDF mais avançados com planejamento para iniciar as operações em 2025 (Finlândia), 2033 (Suécia) e 2034 (França). Vários outros países estão em vários estágios de seleção do local da instalação, com o Reino Unido [15; 3; 16]. A figura a seguir mostra desenho dos conceitos do repositório da Finlândia e da Suécia.

Figura 1 – Desenho conceitual dos repositórios da Finlândia (à esquerda) e da Suécia (à direita)

3. Armazenamento de combustível usado

Além da escolha por seguir com a disposição direta do combustível ou seu reprocessamento, qualquer opção de estratégia envolverá várias etapas, que necessariamente incluirão o armazenamento do SF por algum período para resfriamento, que pode levar alguns anos ou várias décadas, dependendo da estratégia do país. As opções de armazenamento incluem armazenamento úmido, na forma de piscinas ou armazenamento seco, em instalação com cascos de armazenamento construídos para essa finalidade, conforme a seguir [3; 17; 18; 19]:

3.1 A Piscinas de combustível Usado (SFP) – Atualmente, a maior parte do combustível nuclear usado é armazenada com segurança em piscinas especialmente projetadas em seus reatores. A Figura 2 mostra o exemplo das piscinas das usinas de Angra 1 e Angra 2.

Figura 2 – SFP de Angra 2 à esquerda e Angra 1 à direita [20]

3.2 Armazenamento em Casco Seco – SF é armazenado em sistemas de armazenamento em casco seco em instalações independentes de armazenamento de combustível irradiado (ISFSIs). As ISFSIs podem estar nos seguintes locais:

3.2.1 No sítio do Reator –  utilizado ao aproximar do limite de capacidade da piscina. A Figura 3 mostra a ISFSI localizada em Angra dos Reis, no sítio da CNAAA, Brasil.

Figura 3 – Fotos do CNAAA ISFSI – Armazenamento a Seco [21]

3.2.2 Longe do Reator – Pode usar sistemas de armazenamento a seco em um dos seguintes locais:

• Locais de Reator Descomissionado – Após encerrar as operações do reator e remover as estruturas usadas nas operações do reator, o licenciado armazena SF no local, aguardando transporte externo para um ISFSI específico do local ou um GDF permanente.
• Instalação de Armazenamento Interino Consolidado (CISF) – Armazenamento de cascos secos em um local longe do reator, aguardando disposição final. A figura 4 mostra imagem ilustrativa do projeto da Holtec (HI-STORE), CISF projetado para cascos de 10.000 SF, sudeste do Novo México, EUA.

Figura 3 – Imagem ilustrativa do projeto do HISTORE  – Armazenamento a Seco – conceito Holtec [22]

METODOLOGIA E CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DE ESTRATÉGIA para gestão de COMBUSTÍVEL USADO

A análise da estratégia mais recomendada para um país em termos de gestão de combustível usado é uma avaliação complexa e envolve avaliação de vários critérios diferentes. As metodologias utilizadas para solucionar estes tipos de problemas de tomada de decisão são chamadas de métodos de tomada de decisão multicritério (MCDM), sendo que o mais utilizado se chamada AHP (Analytic Hierarchy Process) [23]. O objetivo dessas metodologias é: 1 – identificar os critérios de decisão relevantes; 2 – quantificar a importância relativa (peso) de cada critério de decisão; e 3 – hierarquizar as alternativas (soluções possíveis) para apoiar a tomada de decisão [24; 25; 26; 27].   

Para a aplicação da metodologia AHP é necessário a definição dos critérios e subcritérios principais relevantes para o problema que se quer solucionar. Para avaliação de estratégia para gestão de combustível usado, segundo estudo recente em [Pinho, 2024], os critérios e subcritérios mais relevantes são:

Critérios: Segurança nuclear “C1”, Impacto Ambiental e Gestão de Rejeitos “C2”, Proteção Física e Salvaguardas “C3”, Aspectos Econômicos “C4” e Específicos do País “C5”.

Cada critério é composto de um conjunto de subcritérios, conforme a tabela 2 a seguir:

Tabela 2 – Critérios e Subcritérios para avaliação de estratégia de combustível nuclear usado [28, 29]

EStratégia de combustível nuclear no mundo e no brasil

A estratégia para gestão de SF depende da opção de ciclo de combustível de cada país. A França, Rússia, Japão, Índia e China adotaram o ciclo fechado de combustível com reprocessamento. A Holanda, Bulgária, Itália e Japão, reprocessam ou já reprocessaram SF em outros países. Existem 17 países planejando disposição do SF diretamente e 12 pararam seus processos de reprocessamento. Um resumo das opções de gestão de SF em todo o mundo pode ser visto em [5] que mostra que embora a maioria dos países tenham suas estratégias definidas, há países que estão mantendo suas opções em aberto, como o Brasil, Argentina, Bélgica, República da Coreia e Ucrânia, que ainda não definiram uma estratégia de SF [19].

Atualmente o Brasil armazena, de forma segura e responsável, seus combustíveis produzidos nas usinas de Angra 1 e Angra 2, nas piscinas das respectivas usinas e em instalação de armazenamento à seco, chamada UAS (Unidade de Armazenamento à Seco de Combustíveis Usados), com capacidade de armazenamento até 2045. Entretando, do ponto de vista de país, o Brasil ainda não tem uma clara estratégia de longo prazo para os seus combustíveis usados, e ainda não tomou uma decisão sobre descarte direto ou reprocessamento [30].

Em [29 e 30], foi realizado estudo de estratégias para o Brasil, considerando Angra 1, Angra 2 e Angra 3, utilizando metodologia de análise multicritério AHP, que após consolidação da opinião de especialistas nos diversos critérios elencados na tabela 2, chegou-se a uma conclusão preliminar que as duas estratégias mais recomendadas para o país seriam:  1) Reprocessamento fora do país com a disposição dos rejeitos produzidos, e 2) A de disposição direta dos combustíveis em um repositório final. Ambas as alternativas ficaram muito próximas, na opinião consolidada dos especialistas, entretanto necessitaria de uma avaliação mais detalhada de custos de cada uma para uma tomada de decisão final. A opção de reprocessamento interno ao país ficou muito atrás, principalmente em função das dificuldades tecnológicas e de não-proliferação e salvaguardas, bem dificultadas nesta opção.

conclusões

Existem desafios e oportunidades para cada opção de estratégia, e as características de cada uma devem ser consideradas ao selecionar a melhor para um pais, considerando os diversos critérios (Segurança nuclear, Impacto Ambiental e Gestão de Rejeitos, Proteção Física e Salvaguardas, Aspectos Econômicos e Específicos do País) e seus subcritérios mais relevantes.

Apesar da grande maioria dos países terem selecionado suas estratégias relacionadas ao combustível nuclear usado, 6 ainda precisam tomar suas decisões, dentre eles o Brasil. Aguardar na tomada de decisão pode ter uma vantagem de se beneficiar da evolução das tecnologias e poder se utilizar da experiencia adquirida de outros países, entretanto, o projeto de um repositório final e da estratégia de reprocessamento, mesmo que externa, necessita de muitos anos de planejamento e a definição de uma estratégia para o combustível usado é cada vez mais necessária, visto que o Brasil tem plano de ampliar sua capacidade de geração de energia nuclear. Conforme haja o avanço da geração nuclear, a estratégia de reprocessamento externo, com a redução de volume e consequentemente diminuição de espaço de armazenamento e disposição, pode ser que seja a preferida.

Mesmo sem a definição da estratégia de longo prazo, o Brasil tem seus combustíveis usados gerados em seus reatores armazenados de forma segura, e com capacidade para mais 20 anos em instalação à seco, projetada com tecnologia, segurança e responsabilidade, entretanto já é necessário que o país avance no estudo de estratégias para como lidar com o combustível usado no futuro para a sustentabilidade do setor nuclear, deixando claro que a opção nuclear é segura, responsável e viável, além de ser uma geração energética de base e de baixíssima geração de carbono.

referências

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2 – IAEA 1, Spent fuel management options. Vienna, Austria. 2021. Available at <https://www.iaea.org/topics/spent-fuel-management>. Accessed March 23^rd, 2021.

3 –  NEA/OECD, Management and disposal of high-level radioactive waste: global progress and solutions, Paris, France. 2020. Available at <https://www.oecd-nea.org/jcms/pl_32567/management-and-disposal-of-high-level-radioactive-waste-global-progress-and-solutions?details=true>. Accessed October, 21^st, 2022.

4 – EASAC, Management of spent nuclear fuel and its waste. European Commission Joint Research Centre, Brussels, Belgium. 2014. Available at <https://www.interacademies.org/sites/default/files/publication/full_report_spent_nuclear_fuel_webvs.pdf>. Accessed October 15^th, 2022.

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7 – IAEA, France’s Efficiency in the Nuclear Fuel Cycle: What Can ‘Oui’ Learn?. 2019. Available at <https://www.iaea.org/newscenter/news/frances-efficiency-in-the-nuclear-fuel-cycle-what-can-oui-learn>. Accessed in April 08^th 2023.

8 – IAEA 1, Spent fuel management options. Vienna, Austria. 2021. Available at <https://www.iaea.org/topics/spent-fuel-management>. Accessed March 23^rd, 2021.

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11 – IAEA, Safety Glossary – Terminology Used in nuclear Safety and Radiation protection 2018 Edition. Vienna, Austria. 2018. Available at <https://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/Pub1419_web.pdf>. Accessed October 21^st, 2022.

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15 – PROSPECT LAW, High Level Radioactive Waste: Novel Geological Disposal Concept Proposed, London, United Kingdom. 2019. Available at <https://prospectlaw.co.uk/high-level-radioactive-waste-novel-geological-disposal-concept-proposed/>. Accessed July 10^th, 2022.

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