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Technology challenges using alkali metals in heat pipe-cooled reactors

Em breve, os fornecedores de energia nuclear planejam diminuir o tamanho das unidades de energia nuclear ou a capacidade de energia devido a muitos fatores, incluindo custos acima do orçamento e um processo complexo de licenciamento para novas usinas gerando até 5 GW. O Acordo de Paris de 2015 teve como objetivo atingir emissões líquidas de carbono zero. Como resultado, a indústria de energia deve explorar fontes de energia mais limpas e eficientes. A crise climática e a COVID-19 impactaram significativamente a sociedade. Elas também aumentaram os custos da construção de energia nuclear, principalmente quando lideradas por megaprojetos que mostram orçamentos superiores a US$ 1 bilhão. As usinas nucleares são megaprojetos que mostram um orçamento de cerca de US$ 20 bilhões, como a usina Vogtle da Geórgia, que está enfrentando um estouro significativo, e Hinkley Point C, que está passando por um estouro de custo de US$ 26 bilhões. Essas condições levantam questões sobre o uso de pequenos reatores modulares para produção de energia nuclear. Ao mesmo tempo, projetos de microrreatores estão sendo desenvolvidos usando refrigerantes como metal líquido, gás hélio ou sal fundido, com tubos de calor passivos para transferência de calor e gás hélio para compatibilidade com alta temperatura. Os microrreatores são altamente eficientes, baratos e diretos, produzindo energia variando de menos de 1 MW a 20 MW. A Westinghouse projetou o VinciTM, que gera energia de 200 kW a 5 MW usando um tubo de calor de alta temperatura e sódio como fluido de trabalho. No entanto, os microrreatores enfrentam desafios em combustível de urânio enriquecido, tubos de calor, resfriamento passivo e eficiência de conversão termoelétrica. Dessa forma, calculamos alguns parâmetros que descrevem um reator resfriado por tubo de calor operando como metais alcalinos.
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Technology challenges using alkali metals in heat pipe-cooled reactors

  • DOI: https://doi.org/10.22533/at.ed.135162517031

  • Palavras-chave: Tubo de calor, reator de quilopotência, reator de megapotência, metal alcalino, reatores espaciais, conversores termoelétricos Stirling.

  • Keywords: Heat pipe, kilopower reactor , megapower reactor , alkali metal, space reactors, Stirling thermoelectric converts.

  • Abstract: Shortly, the nuclear energy suppliers plan to decrease the size of the nuclear power units or power capacity due to many factors, including over-budgeted costs and a complex licensing process for new plants generating up to 5 GW. The Paris Agreement 2015 aimed to achieve net carbon zero emissions. As a result,  the energy industry should explore cleaner and more efficient energy sources. The climate crisis and COVID-19 have significantly impacted society. They have also increased the costs of nuclear power construction, mainly when led by megaprojects showing budgets exceeding $ 1 billion. Nuclear power plants are megaprojects showing a budget of around $ 20 billion, such as Georgia's Vogtle plant, which is facing a significant overrun, and Hinkley Point C, which is experiencing a $26 billion cost overrun. These conditions raise questions about using small modular reactors for nuclear energy production. At the same time, microreactor designs are being developed using coolants like liquid metal, helium gas, or molten salt, with passive heat pipes for heat transfer and helium gas for high-temperature compatibility. Microreactors are highly efficient, cheap, and straightforward, producing power ranging from less than 1 MW to 20 MW. Westinghouse has designed  VinciTM, which generates power from 200 kW to 5 MW using a high-temperature heat pipe and sodium as the working fluid. However, microreactors face challenges in enriched uranium fuel, heat pipes, passive cooling, and thermoelectric conversion efficiency. This way, we calculate a few parameters that describe a heat pipe-cooled reactor operating as alkali metals.

  • Daniel de Souza Gomes
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