SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA
NUCLEAR ENERGY
Sumário da 5ª aula
1. Vantagens e problemas da energia nuclear convencional
2. Evolução dos reactores nucleares
2.1. Reactores avançados
2.2. Reactores de temperatura elevada
2.3. Reactores de neutrões rápidos
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Energia Nuclear
5ª Aula
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1. VANTAGENS E PROBLEMAS DA ENERGIA NUCLEAR
CONVENCIONAL
• A energia nuclear convencional possui acérrimos defensores e
opositores.
• 47% dos investimentos dos países membros da Agência
Internacional de Energia em I&D na área da energia, entre 1974
e 2002, foram feitos em fissão nuclear, contra 13% nas fontes de
energia fóssil, 11% na fusão nuclear, 8% nas renováveis e 8% na
eficiência e armazenamento
• Vantagens
Energia limpa, poderosa, economicamente atractiva e
baseada em combustíveis abundantes.
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• A energia nuclear é limpa porque não emite para a atmosfera
nem gases de efeito de estufa nem outros gases que degradam
o ambiente como, por exemplo, o dióxido de enxofre, os óxidos
de azoto, o mercúrio e outros gases típicos resultantes da
queima de combustíveis fósseis. Convém, no entanto, referir que
nos processos a montante (extracção, enriquecimento e
transporte do minério) e a jusante (tratamento dos resíduos e
desmantelamento da central) são emitidos dióxido e monóxido de
carbono, ainda que em quantidades muito menores que numa
central térmica.
• A energia nuclear é poderosa porque uma pequena redução da
massa dos reagentes conduz, de acordo com a fórmula de
Einstein E = m c2 à libertação de uma grande quantidade de
energia.
• Uma reacção de fusão nuclear é cem vezes mais poderosa que
uma reacção de fissão que, por sua vez, é cerca de um milhão
de vezes mais poderosa que uma reacção química.
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• A energia de ligação libertada numa reacção de fissão é da ordem de
200 MeV, um valor incomparavelmente maior que os 4 eV por molécula
de dióxido de carbono libertado na queima de um combustível fóssil.
Deste facto resulta que uma grama de urânio pode gerar a mesma
electricidade (100 000 kWh) que é obtida com a combustão de oito
toneladas de carvão.
Combustível
Resíduos
2500 toneladas de carvão
5000 t de CO2, SO2, cinzas e metais pesados
1500 toneladas de petróleo
4800 t de CO2, SO2 e outros
700 toneladas de gás natural
2400 t de CO2
25 Kg de urânio
23 Kg de resíduos, dos quais apenas 1 Kg possui alta actividade
250 gr de deutério
?
Combustíveis necessários e resíduos produzidos na geração de 1 MW de electricidade
durante um ano
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Combustível
Valor Calorífico
% de
carbono
CO2 produzido
(g/MJ)
Hidrogénio
121 MJ/kg
0
0
Gás Natural
38 MJ/m3
89
51
Petróleo
45 MJ/kg
67
72
Carvão
24 MJ/kg
76
90
Madeira
16 MJ/kg
42
94
Urânio Natural
500 GJ/kg
0
0
Urânio Enriquecido
3900 GJ/kg
0
0
• O combustível para as centrais de fissão nuclear é abundante na
crosta terreste: U235 (0.7% de todo o urânio natural) e U238
(99.3% de todo o urânio natural) são os combustíveis mais
usados nos reactores críticos e nos fast breeders.
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5
 O urânio é um elemento que aparece com muita frequência na
crosta terreste e nos oceanos;
 As principais reservas estão situadas na Austrália (30%),
Cazaquistão (17%), Canadá (12%), África do Sul (8%),
Namíbia (6%), Nigéria (5%), Brasil (4%), Federação da Rússia
(4%), Estados Unidos (3%) e Urzebeijão (3%)
 Ao preço actual do mercado, um depósito é economicamente
atractivo se contiver pelo menos 0.1% de urânio, o que
significa que as reservas conhecidas permitem satisfazer o
consumo mundial de energia durante cerca de 60 anos.
 Contudo, este prazo poderá ser alargado para 100 anos
desde que o preço do urânio duplique, o que implicaria um
aumento de apenas 5% no custo do kWh de electricidade;
 O uso de U238 fará com que as reservas durem pelo menos
10000 anos.
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• Uma alternativa poderá consistir na utilização de U233 produzido a
partir de tório, um elemento três vezes mais abundante na Terra
que o urânio e cujas principais reservas se encontram na Austrália,
Índia e Noruega.
• Existem alguns modelos de reactores, tais como o Canadian
Deuterium Uranium (CANDU), que já podem operar com tório.
• As reacções começam com U235 ou Pu239 e depois o tório (Th232)
captura um neutrão e transforma-se em U233, o qual continua as
reacções em cadeia.
 Contudo este tipo de utilização do tório tem vários problemas
práticos que limitam a implementação desta solução.
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• Para além das jazidas naturais, os combustíveis para os reactores
nucleares podem ser obtidos do desmantelamento dos arsenais
nucleares.
• Uma bomba nuclear contém uma grande quantidade de urânio
enriquecido até 90% de U235, isto é, cerca de 25 vezes a proporção
típica da maioria do combustível nuclear.
• Algumas bombas nucleares têm P239 o qual pode ser usado numa
forma diluída nos reactores nucleares convencionais ou nos
reactores de alimentação rápida (“Fast Breeders”).
Fonte
Concentração
(em partes por milhão)
Minério de Alta Concentração
20000
Minério de Baixa Concentração
1000
Granito
4
Rochas Sedimentares
2
Água do Mar
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Concentrações típicas
de urânio
0,003
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• Estudos realizados no Reino Unido e nos Estados Unidos
chegaram a custos muito semelhantes para o preço do kWh de
electricidade gerado por reacções de fissão ou por outras
tecnologias tradicionais, mesmo quando o custo da energia
nuclear inclui os encargos associados à construção e ao
desmantelamento da central e as outras tecnologias não
incluem os factores externos (por exemplo, o seu impacte
ambiental).
• Os custos muito elevados da construção e da desmontagem de
uma central nuclear são compensados pelo custo muito reduzido
dos combustíveis.
• Para aumentar a competitividade da energia nuclear, os
governos têm diminuído a burocracia associada ao processo de
licenciamento e a industria nuclear tem reduzido o tempo de
construção e aumentado o período em que a central pode operar
em condições de total segurança.
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• A energia nuclear tende a ser ainda mais competitiva em países
onde outros combustíveis energéticos não estão disponíveis, como,
por exemplo, na França e no Canadá-Ontário.
País
Nuclear
Carvão
Gás Natural
Finlândia
2,76
3,64
-
França
2,54
3,33
3,92
Alemanha
2,86
3,52
4,90
Suiça
2,88
-
4,36
Holanda
3,58
-
6,04
República Checa
2,30
2,94
4,97
Eslováquia
3,13
4,78
5,59
Roménia
3,06
4,55
-
Japão
4,80
4,95
5,21
Coreia do Sul
2,34
2,16
4,65
Estados Unidos
3,01
2,71
4,67
Canadá
2,60
3,11
4,00
Previsão dos preços (em cêntimos de dólar americano de 2003) em 2010 do kw.h de
electricidade produzidos em centrais nucleares, de carvãoou de gás natural (OCDE, 2005)
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• Os problemas da energia nuclear estão relacionados com a
proliferação de armas nucleares, a segurança e a refrigeração das
centrais, o impacte na saúde pública e os resíduos radioactivos.
• A proliferação nuclear resulta do uso no fabrico de bombas
nucleares das tecnologias desenvolvidas para fins civis,
nomeadamente para o enriquecimento de urânio e o tratamento dos
resíduos nucleares.
• Este problema está resolvido no mundo democrático, através do
Tratado de Não-Proliferação de Armas Nucleares (em vigor
desde 1970, actualmente com 187 signatários) e ao trabalho de
organizações internacionais como, por exemplo, a Comunidade
Europeia de Energia Atómica (EURATOM) e a Agência Internacional
de Energia Atómica (IAEA) ambas criadas em 1957.
• Contudo, este problema subsiste nos países onde a actividade dos
inspectores da IAEA é dificultada, como, por exemplo, acontece
actualmente no Irão e na Coreia do Norte.
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• Alguns modelos da Geração IV proporcionam uma solução
radical para este problema, através da construção de reactores de
ciclo fechado, nos quais os resíduos nucleares são re-processados
no interior do próprio reactor.
• A segurança dos reactores de fissão tem sido melhorada à medida
que novos modelos são comercializados, através:
- Diminuição da dependência da operação de factores humanos
- Aperfeiçoamento do treino dos operadores
- Aumento da cultura de segurança de todo o pessoal das centrais
nucleares
- Instalação de várias barreiras de protecção que evitam a emissão
de radiação na ocorrência, pouco provável, de um acidente sério.
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• O caso de Three Mile Island, onde o acidente mais sério que
ocorreu até hoje fora do espaço da ex-União Soviética conduziu à
libertação de pequenas quantidades de radiação para a atmosfera,
já que a parede exterior do sistema de contenção nunca
rachou.
• Os reactores da Geração III, do tipo EPR (“European Pressurized
Reactor”) têm níveis de segurança tão ou mais elevados que
quaisquer outras instalações experimentais, do mesmo nível
de complexidade.
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• Contudo, é ainda preciso melhorar os sistemas de arrefecimento
do núcleo (em caso de acidente grave, a água sujeita às
temperaturas elevadas do núcleo pode gerar quantidades
explosivas de hidrogénio) e a segurança contra atentados
terroristas.
• A refrigeração de uma central nuclear requer grandes
quantidades de água. Este consumo pode ser reduzido desde que
se usem torres de refrigeração ou, no limite, uma torre seca,
soluções que, contudo, aumentam o custo da central.
• O impacte na saúde pública das centrais nucleares é pequeno,
salvo em caso de acidente, apesar da emissão permanente de
materiais radioactivos para a atmosfera, solo e água.
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• Os níveis de radiação dos trabalhadores destas centrais e das
populações vizinhas estão dentro dos limites fixados na
regulamentação internacional.
• Este facto justifica, muito provavelmente, a existência de centrais
nucleares perto de grandes aglomerados populacionais (por
exemplo, há duas centrais nucleares a menos de 50 km de Madrid).
• Por outro lado, as estatísticas demonstram que o número de
acidentes de trabalho numa central nuclear é menor que nas
centrais térmicas ou hidroeléctricas.
• Se ocorrer um acidente grave numa central (cuja probabilidade é de
1 para 10 milhões), e no caso também pouco provável de haver
libertação de poeiras e radiações para o exterior (as novas centrais
nucleares possuem várias camadas de protecção), existem
procedimentos que podem atenuar o impacte na população
(por exemplo, a distribuição de tabletes de iodo reduz o risco de
cancro na tiróide).
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• Os resíduos nucleares são, ainda, hoje um problema, sobretudo
porque tem havido pouco investimento no estudo de processos
eficientes para o seu tratamento e armazenamento. Uma central
nuclear produz menos resíduos que uma central térmica e que
são controlados com muito mais rigor que qualquer outro
resíduo industrial.
• Contudo, os resíduos nucleares são muito mais perigosos para
a saúde pública. Uma pequena quantidade destes resíduos (cerca
de 10%) possui radioactividade muito elevada que, apesar de se
reduzir a cerca de metade ao fim de 10 anos e em 90% passado
um século, leva milhares de anos atingir os níveis naturais.
• São, por isso, necessários processos de separação e
transmutação que permitam retirar e tratar os componentes de
elevada radioactividade (plutónio e actinídeos) e técnicas de
armazenamento em camadas geológicas profundas (solução
adoptada na Finlândia) ou à superfície ou no subsolo (cemitério
nuclear).
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• A indústria nuclear poderá passar por algumas dificuldades se
ocorrer um aumento significativo e súbito do recurso à energia
nuclear.
• Em primeiro lugar poderá haver dificuldade em satisfazer, em
tempo útil, as encomendas de novas centrais e os pedidos de
desmantelamento de centrais actuais.
• Esta operação torna-se cada vez mais urgente porque o parque
nuclear está envelhecido (14% e 18% das actuais centrais têm,
respectivamente, mais de 25 e 30 anos).
• Vai aumentar a dificuldade de contratar novos engenheiros
nucleares, devido à diminuição do ensino desta especialidade nas
universidades europeias.
• Em terceiro lugar, haverá, certamente, um aumento do preço da
matéria prima.
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• O preço em dólares do urânio quadruplicou em três anos,
embora ainda não tenha atingido o máximo histórico dos anos 70 e
apesar de alguns países terem aumentado nos últimos anos a sua
produção.
• É importante referir que o custo do urânio tem um impacte
pequeno no custo do kW.h (a duplicação do primeiro conduz a um
aumento de 5% no segundo).
• Finalmente refira-se que as recomendações internacionais apontam
para que todas as actividades relacionadas com o nuclear
devam ser controladas por um órgão especializado,
independente do poder político e dos grupos económicos.
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2. EVOLUÇÃO DOS REACTORES NUCLEARES
• A indústria nuclear tem tentado resolver os problemas referidos na
secção anterior, procurando tornar os reactores deste tipo mais
seguros, mais eficientes e mais amigos do ambiente
 A segurança tem sido melhorada através do recurso a
microprocessadores e à redução da componente humana nos
sistemas de decisão.
 O aperfeiçoamento da eficiência permite que a mesma
quantidade de electricidade seja gerada com menos combustível
e, por consequência, produzindo menos resíduos.
 A amizade ao ambiente tem sido melhorada com o
aperfeiçoamento dos sistemas de arrefecimento, a redução da
quantidade e da radioactividade dos resíduos e o seu tratamento
e armazenamento em condições adequadas e seguras.
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 Reactores da Geração I foram construidos até 1965 e encontram-se
apenas em operação na Europa de Leste, constituindo um perigo
para a Humanidade dada a sua idade avançada e as condições
precárias de segurança.
 Reactores da Geração II, construidos entre 1965 e 1995, são muito
mais seguros e encontram-se em funcionamento na Ásia e no mundo
ocidental.
 Os reactores da Geração III são ainda mais seguros e eficientes,
encontrando-se seis modelos diferentes em operação, construção ou
desenvolvimento.
 Os reactores da Geração IV estão a ser estudados seis conceitos
diferentes, esperando-se que a sua comercialização possa ocorrer
dentro de 20 a 30 anos: o GFR (“Gas-cooled Fast Reactor”), o LFR
(“Lead-cooled Fast Reactor”), o MSR (“Molten Salt Reactor”), o
SCWR (“SuperCritical Water-cooled Reactor”), o SFR (“Sodiumcooled Fast Reactor”) e o VHTR (“Very High Temperature Reactor”).
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Tipo
Combustível
Moderador
Permutador
Nª
GWe
Localização
Pressurized Water
Reactor (PWR)
UO2 enriquecido
OH2
Pressurizada
OH2
Pressurizada
268
249
França, Japão,
USA, Rússia
Boiling Water Reactor
(BWR)
UO2 enriquecido
OH2 em
Ebulição
OH2 em
Ebulicão
94
85
USA, Japão,
Suécia
Pressurized Heavy
Water Reactor
(PHWR)
UO2 natural
OH2 Pesada
OH2 Pesada
40
22
Canadá
Gás-Cooled Reactor
(MAGNOX & AGR)
U natural UO2
enriquecido
Grafite
CO2
23
12
Reino Unido
Light Water Graphite
Reactor (RBMK)
UO2 enriquecido
Grafite
OH2
12
12
Rússia
Fast Neutron Reactor
(FBR)
PuO2 e UO2
Sódio Líquido
Não Tem
4
1
Japão, França,
Rúsia
Modelos dos reactores nucleares que estão em operação em 2006
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• Os reactores da Geração IV são mais seguros porque:
 O núcleo do reactor é mais pequeno;
 Um modelo de gás a temperaturas elevadas (HTGR) usa microesferas de combustível que são introduzidas na parte central do
reactor à medida que são consumidas, evitando-se a libertação de
grandes quantidades de energia que podem conduzir a que o
núcleo se derreta;
 O hélio usado como refrigerador, no caso de acidente, regressa
ao corpo central do reactor, evitando que haja libertação de
elementos radioactivos;
• São economicamente mais competitivos dado que a menor
dimensão do seu núcleo permite menores edifícios e porque a sua
duração mais longa significa um impacte menor dos custos de
construção e desmantelamento no preço do kW.h;
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• Alguns modelos permitem a produção de hidrogénio, em larga
escala, através de um processo termoquímico que consiste na
reacção quimica de dióxido de enxofre e iodina com água, com a
produção de ácido sulfúrico e iodeto de hidrogénio, que
posteriormente se pode decompor em iodina e hidrogénio;
• São mais eficientes, produzindo menos resíduos e com menos
radioactividade. Existem, mesmo, modelos de ciclo fechado em que
os resíduos são reprocessados no interior do próprio reactor de
forma a serem reutilizados como combustível;
• Os reactores de ciclo fechado são resistentes à proliferação nuclear,
uma vez que o plutónio não sai do interior do reactor.
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2.1. Reactores Avançados
• Os construtores nucleares europeus, americanos e japoneses têm
vários projectos de novos reactores nucleares em fases de
investigação e desenvolvimento, planeamento, aprovação pelas
Autoridades Reguladoras ou, finalmente, já em construção.
País
Reactor
Potência
MWe
Estado do Projecto
EUA – Japão
Advanced Boiling Water Reactor (ABWR)
1300
Em operação no Japão
Certificado nos Estados Unidos
EUA
AP – 600
AP – 1000
600
1100
Certificado
Economic Simplified Boiling
Water Reactor (ESBWR)
1550
Certificado
França
European Pressurized Water
Reactor (EPWR)
1600
Em construção na Finlândia
Japão
Advanced Pressurized Water Reactor
(APWR)
1500
Desenho básico
Coreia do Sul
APR 1400
1450
Em construção
Rússia
PWR V-448
1500
Em construção
PWR V-392
950
Dois em construção na India
Advanced CANDU Reactor (ACR)
1000
Proposto por o Reino Unido
Certificado em curso no Canadá
Canadá
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• Estes reactores, pertencentes às Gerações III, III+ ou IV:
 Têm um projecto standarizado para cada modelo de modo a
facilitar o licenciamento, reduzir os custos de investimento e
diminuir o tempo de construção;
 Têm um projecto mais simples e austero, são meios fáceis de
operar e são menos vuneráveis a distúrbios operacionais;
 Têm uma vida útil mais longa (tipicamente 60 anos) de modo a
reduzir o impacto dos custos de construção e desmontagem no
preço do kWe;
 Reduzem a possibilidade de um derretimento da câmara do
reactor;
 Têm um ponto de queima mais elevado, de modo a reduzir a
quantidade de combustível utilizado e o lixo produzido;
 São economicamente mais competitivos.
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2.2. Reactores de Temperatura Elevada
• Estão a ser desenvolvidos reactores de alta temperatura (MTR)
arrefecidos a gás, capazes de fornecerem hélio a temperaturas
até 950 ºC para aplicações industriais ou geração de electricidade,
com uma eficiência térmica de cerca de 48%;
• Estes reactores utilizam combustível na forma de partículas com
menos de um milímetro de diâmetro, contendo cada uma um grão
de óxido carbonete de urânio, com U235 enriquecido até 17%.
• Cada pastilha é rodeada por camadas de carbono e carboneto de
silício, proporcionando um contentor para os produtos de fissão
que é estável até 1600 ºC ou mais.
• As pastilhas são posteriormente agrupadas ou em blocos
hexagonais de grafite ou em bolas do tamanho de uma bola de
bilhar, feitas em grafite encaixada em carbonete de silício.
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• Em ambos os casos, cada peça tem mais de 15000 pastilhas de
combustível a cerca de 9 gramas de urânio.
• Estes combustíveis para os reactores de alta temperatura têm
uma segurança inerente muito elevada, incluindo um coeficiente
de temperatura muito negativo que origina uma redução das
reacções de fissão quando a temperatura aumenta.
Reactor
Países envolvidos no
desenvolvimento
Estado
Pebble Bed Modular Reactor
(PBMR)
Africa do Sul, USA, Alemanha
e China
Em desenvolvimento
Small Pebble Bed Reactor (SPBR)
China
Em operação
MTR-PM
China
Em construção
Gas Turbine – Modular Hellium
Reactor (GT-MHR)
Estados Unidos, Russia e
França
Em desenvolvimento
Reactores de Temperatura Elevada
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2.3. Reactores de Neutrões rápidos
• Os neutrões rápidos podem gerar potência nuclear utilizando a
transformação de U238 em Pu239 e, depois, as reacções em cadeia
deste material cindível;
• Os reactores reprodutores rápidos produzem mais plutónio do que
consomem;
• Os reactores de neutrões rápidos têm uma eficiência térmica
muito elevada, devido a temperatura muito elevada em que
operam (500 a 550 ºC);
• O número de neutrões produzido por reacção de fissão é 25%
mais elevado que nos reactores térmicos, pelo que há neutrões
suficientes não só para manter as reacções em cadeia, mas
também para converter o urânio esgotado (principalmente U238)
existente numa camada fértil em plutónio.
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• Este tipo de reactores não tem moderador e usa metais líquidos
de alta condutividade e ponto de ebulição (como, por exemplo, o
sódio, o chumbo, ou uma liga de chumbo-bismuto) para o seu
arrefecimento.
• Este tipo de arrefecimento, embora, difícil de manusear do ponto
de vista químico, é mais benigno do que água a muito alta
pressão. Estas vantagens deste tipo de reactores levou as
principais potências nucleares a desenvolverem e instalarem
vários reactores.
• Contudo, o baixo preço do urânio, os custos elevados do
investimento e a necessidade de utilizar plutónio para fins
militares levou muitos Países a não instalar mais reactores deste
tipo. Praticamente, hoje, apenas a Rússia continua a apostar
neste tipo de reactores. No entanto, é provável que no futuro
aumente o interesse neste tipo de reactores devido à sua
capacidade para cindirem actinídios, incluindo os que são
recuperados do combustível usado dos reactores convencionais.
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País
Reactores
Instalados
Em operação
Estados Unidos
5
0
Reino Unido
2
0
França
3
1
Alemanha
1
0
India
1
1
Japão
2
1
Casaquistão
1
0
Rússia
3
3
Reactores Reprodutores Rápidos
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