Nový způsob chlazení a zadržování radioaktivní hmoty podobné lávě, která vzniká v jádře jaderného reaktoru při katastrofickém roztavení, vyvinuli výzkumníci v USA. Technika zahrnuje použití granulovaných karbonátových materiálů namísto vody a byla demonstrována v malých i velkých zkušebních zařízeních s použitím roztaveného oxidu olovnatého. Vývojáři nyní pracují na komerčním využití systému.
Při katastrofickém roztavení jaderné elektrárny může vzniknout radioaktivní lávovitá směs jaderného paliva, řídicích tyčí, štěpných produktů a konstrukčních součástí reaktoru. Tato roztavená hmota, označovaná jako „corium“, je extrémně nebezpečná a má potenciál se pohybovat.
„Při těžké havárii reaktoru se nádoba, která obsahovala palivo, roztaví a praskne,“ vysvětluje inženýr David Louie ze Sandia National Laboratories. „Pak všechen ten materiál vypadne na podlahu kontejnmentu a začne se šířit.“
Vybuchující vodík
Roztavení může vystupňovat únik radioaktivního materiálu do okolního prostředí dvěma způsoby, z nichž prvním je potenciál koria protavit se podlahou reaktorové budovy a proniknout do podloží. Roztavená hmota by také mohla chemicky reagovat s okolními materiály, jako je beton, a vytvořit plynný vodík, který se může nahromadit a způsobit výbuch.
Standardní technikou pro řešení problému s koriem je snaha ochladit ho vodou. Tento přístup však obvykle funguje příliš pomalu, což umožňuje další vývoj katastrofy a únik radioaktivních kontaminantů do okolí.
„Nakonec se korium přestane šířit, protože ho ochladí voda,“ řekl Louie. „Ale nechcete, aby se havárie zhoršovala a zhoršovala, zatímco pracujete na přivedení vody. Voda také poskytuje zdroj výbušného vodíku.“
Při hledání lepší metody chlazení a zadržování koria se Louie a jeho kolegové obrátili ke granulovaným uhličitanovým minerálům, jako je kalcit a dolomit, které by se podle nich mohly v případě roztavení vstřikovat do nitra reaktorů.
Test v malém měřítku
Na začátku testu v malém měřítku tým zahřál několik gramů práškového oxidu olovnatého na teplotu 1000 °C, aby vytvořil roztavený materiál podobný koriu. Poté jej zkombinovali jak se vzorkem granulovaného kalcitu, tak pro srovnání se zrnky oxidu křemičitého (písku).
„Viděli jsme, že vstřikované uhličitanové minerály fungují,“ řekl Louie. „Chemicky reagoval za vzniku velkého množství oxidu uhličitého, který ‚zkvasil‘ oxid olovnatý do pěkné koláčovité struktury. Samotná reakce měla chladicí účinek a všechny póry v ‚koláči‘ umožňují další ochlazování.“ Naproti tomu písek použitý jako kontrolní vzorek neměl na simulované korium žádný vliv.
Následný experiment, provedený v kilogramovém měřítku, rovněž ukázal, že karbonátové granule lze úspěšně použít k zadržení roztaveného materiálu. Výzkumníci také začlenili své vstřikované bezpečnostní materiály do softwaru společnosti Sandia pro modelování roztavení reaktoru, aby prozkoumali, jak by granulované uhličitany mohly ovlivnit probíhající reálnou jadernou katastrofu – například tu, ke které došlo v japonské elektrárně Fukušima Daiiči v roce 2011.
„Ačkoli existuje mnoho způsobů, jak zvýšit bezpečnost jaderné energie, řešení, jako jsou reaktory s putujícími vlnami a reaktory s roztavenými solemi, často zahrnují zcela novou infrastrukturu, jejíž vývoj může trvat desítky let,“ říká fyzik Lawrie Skinner ze Stanfordovy univerzity, který se na této studii nepodílel. Dodává: „Tato metoda vstřikování uhličitanů nabízí jednoduchý způsob, jak učinit současnou technologii reaktorů bezpečnější.“
Je zapotřebí větších demonstrací
„Ačkoli je třeba ji ještě experimentálně prokázat ve větším měřítku a s materiály, které se blíží jaderným taveninám, bude vzrušující sledovat, jak se tyto metody vstřikování uhličitanů osvědčí.“
Oliver Alderman ze společnosti Materials Development Inc. již dříve studoval koriovou lávu a nový výzkum označuje za „velmi pěkný koncept“. „Zajímal by mě vliv teploty koria – korium může být mnohem teplejší než použitý roztavený oxid olovnatý – a také sekundární exotermické reakce, které mohou nastat,“ varuje.
Dodává: „Dalším zajímavým bodem, který je třeba zvážit, je, že tepelná vodivost materiálu ‚koláče‘ bude pravděpodobně velmi nízká, a to by mohlo být výhodou, nebo nevýhodou, v závislosti na konstrukci reaktoru.“
Po dokončení počáteční studie mají nyní výzkumníci na injektovatelné bezpečnostní materiály připravený neprovizní patent a chtějí také provést ještě rozsáhlejší testy, ale se začleněním ochuzeného uranu.
„Poté bychom byli připraveni tuto technologii komercializovat,“ uvedl Louie a dodal, že karbonátové ochranné materiály „by mohly být dodatečně instalovány do jakékoli stávající konstrukce jaderného reaktoru.“
Národní laboratoře Sandia vyzývají k vyjádření zájmu další výzkumné skupiny a organizace, které mají zájem o partnerství při budoucí práci na tomto přístupu k ochraně koria.
.