Forskere i USA har udviklet en ny måde at køle og inddæmme den radioaktive, lava-lignende masse, der dannes i kernen af en atomreaktor under en katastrofal nedsmeltning. Teknikken indebærer anvendelse af granulerede karbonatmaterialer i stedet for vand og er blevet demonstreret i både små og store testbeds med smeltet blyoxid. Udviklerne arbejder nu på en kommerciel anvendelse af systemet.
Når et atomkraftværk gennemgår en katastrofal nedsmeltning, kan der dannes en radioaktiv lava-lignende blanding af nukleart brændsel, kontrolstave, fissionsprodukter og reaktorens strukturelle komponenter. Denne smeltede masse, der kaldes “corium”, er både ekstremt farlig og kan bevæge sig.
“Ved en alvorlig reaktorulykke smelter og brister det kar, der indeholdt brændstoffet,” forklarer David Louie, ingeniør ved Sandia National Laboratories. “Så falder alt det der stads ud på indeslutningsgulvet og begynder at sprede sig.”
Eksploderende brint
Smeltning kan eskalere frigivelsen af radioaktivt materiale til det omkringliggende miljø på to måder, hvoraf den første er coriums potentiale til at smelte gennem reaktorbygningens gulv og sive ned i den underliggende jord. Den smeltede masse kan også reagere kemisk med de omkringliggende materialer som f.eks. beton for at skabe brintgas, der kan ophobes og forårsage en eksplosion.
Standardteknikken til håndtering af corium er at forsøge at afkøle det med vand. Denne fremgangsmåde virker dog typisk for langsomt, hvilket gør det muligt for katastrofen at fortsætte med at udvikle sig og lade radioaktive forurenende stoffer slippe ud i det omkringliggende område.
“Til sidst stopper corium med at sprede sig, fordi vand vil køle det ned,” sagde Louie. “Men man ønsker ikke, at ulykken skal blive værre og værre, mens man arbejder på at bringe vand ind. Vandet er også en kilde til eksplosivt brint.”
I søgen efter en bedre metode til at køle og inddæmme corium vendte Louie og kolleger sig mod granulerede karbonatmineraler som calcit og dolomit, som de siger kunne sprøjtes ind i hjertet af reaktorer i tilfælde af en nedsmeltning.
Test i lille skala
I begyndelsen af en test i lille skala opvarmede holdet et par gram blyoxidpulver til 1000 °C for at skabe et smeltet materiale, der ligner corium. Derefter kombinerede de dette med både en prøve af granuleret calcit og, til sammenligning, korn af siliciumdioxid (sand).
“Vi så, at de injicerbare karbonatmineraler virker,” sagde Louie. “Det reagerede kemisk for at producere en masse kuldioxid, som ‘syrnede’ blyoxidet til en flot kageagtig struktur. Selve reaktionen havde en kølende effekt, og alle porerne i ‘kagen’ giver mulighed for yderligere afkøling.” I modsætning hertil havde det sand, der blev anvendt som kontrolprøve, ingen effekt på det simulerede corium.
Et opfølgende forsøg, der blev udført i kilogramskala, viste også, at karbonatgranulat kunne anvendes med succes til at inddæmme det smeltede materiale. Forskerne har også indarbejdet deres injicerbare sikkerhedsmaterialer i Sandias software til modellering af reaktorafsmeltning for at undersøge, hvordan granulerede karbonater kan påvirke en kernekraftkatastrofe i den virkelige verden – som f.eks. den, der fandt sted på det japanske Fukushima Daiichi-kraftværk i 2011.
“Selv om der er mange måder at gøre atomkraft mere sikker på, indebærer løsninger som f.eks. rejsebølgereaktorer og smeltesaltreaktorer ofte en helt ny infrastruktur, som det kan tage årtier at udvikle”, siger fysiker Lawrie Skinner fra Stanford University, som ikke var involveret i den aktuelle undersøgelse. Han tilføjer: “Denne karbonatinjektionsmetode tilbyder en enkel måde at gøre den nuværende reaktorteknologi mere sikker.”
Større demonstrationer er nødvendige
“Selv om det stadig skal demonstreres eksperimentelt i større skala og med materialer, der nøje matcher nukleare smelter, bliver det spændende at se, hvordan disse karbonatinjektionsmetoder fungerer.”
Oliver Alderman fra Materials Development Inc. har tidligere studeret coriumlava og kalder den nye forskning “et meget fint koncept”. “Jeg undrer mig dog over effekten af coriumtemperaturen – corium kan være meget varmere end det anvendte smeltede blyoxid – og også over sekundære eksoterme reaktioner, der kan forekomme”, advarer han.
Han tilføjer: “Et andet interessant punkt at overveje er, at den termiske ledningsevne af ‘kage’-materialet sandsynligvis vil være meget lav, og det kan være en fordel eller ulempe, afhængigt af reaktorens design”.
Med deres indledende undersøgelse afsluttet har forskerne nu et ikke-provisorisk patent på vej for de injicerbare sikkerhedsmaterialer og søger også at udføre endnu større forsøg, men med inkorporering af forarmet uran.
“Derefter vil vi være klar til at kommercialisere teknologien”, sagde Louie og tilføjede, at karbonatindkapslingsmaterialerne “kunne eftermonteres i ethvert eksisterende atomreaktordesign”.
Sandia National Laboratories opfordrer til interessetilkendegivelser fra andre forskningsgrupper og organisationer, der er interesserede i at indgå i et samarbejde om fremtidigt arbejde med denne tilgang til indkapsling af corium.