Yhdysvaltalaiset tutkijat ovat kehittäneet uuden tavan jäähdyttää ja hillitä radioaktiivista, laavan kaltaista massaa, joka muodostuu ydinreaktorin ytimeen katastrofaalisen sulamisen aikana. Tekniikassa käytetään veden sijasta rakeisia karbonaattimateriaaleja, ja se on demonstroitu sekä pienissä että suurissa koejärjestelyissä, joissa on käytetty sulaa lyijyoksidia. Kehittäjät pyrkivät nyt järjestelmän kaupalliseen käyttöön.
Kun ydinvoimalassa tapahtuu katastrofaalinen sulaminen, voi muodostua radioaktiivisen laavan kaltainen seos ydinpolttoaineesta, säätösauvoista, fissiotuotteista ja reaktorin rakenneosista. Tätä ”coriumiksi” kutsuttua sulaa massaa kutsutaan erittäin vaaralliseksi ja se voi liikkua.
”Vakavassa reaktorionnettomuudessa polttoainetta sisältänyt säiliö sulaa ja repeää”, selittää Sandia National Laboratoriesin insinööri David Louie. ”Sitten kaikki se aine putoaa suojarakennuksen lattialle ja alkaa levitä.”
Räjähdysmäisesti räjähtävä vety
Sulaminen voi kiihdyttää radioaktiivisten aineiden vapautumista ympäröivään ympäristöön kahdella tavalla, joista ensimmäinen on koriumin potentiaali sulaa reaktorirakennuksen lattian läpi ja imeytyä sen alla olevaan maaperään. Sulanut massa voi myös reagoida kemiallisesti ympäröivien materiaalien, kuten betonin, kanssa muodostaen vetykaasua, joka voi kerääntyä ja aiheuttaa räjähdyksen.
Vakiotekniikka koriumin käsittelyssä on yrittää jäähdyttää sitä vedellä. Tämä lähestymistapa toimii kuitenkin tyypillisesti liian hitaasti, jolloin katastrofi jatkaa kehittymistään ja radioaktiiviset epäpuhtaudet pääsevät karkaamaan ympäröivään alueeseen.
”Lopulta korium lakkaa leviämästä, koska vesi jäähdyttää sen”, Louie sanoi. ”Mutta et halua onnettomuuden pahenevan ja pahenevan samalla, kun työskentelet veden tuomisen eteen. Vesi tarjoaa myös räjähdyskelpoisen vedyn lähteen.”
Etsimällä parempaa menetelmää koriumin jäähdyttämiseksi ja hillitsemiseksi Louie ja kollegansa kääntyivät rakeisten karbonaattimineraalien, kuten kalsiitin ja dolomiitin, puoleen, joita heidän mukaansa voitaisiin ruiskuttaa reaktorien sydämeen sulamistapauksessa.
Pienimittakaavainen testi
Aloittaessaan pienimittakaavaisella testillä työryhmä kuumennutti muutaman gramman lyijyoksidijauhetta 1000 °C:een luodakseen koriumia muistuttavaa sulaa materiaalia. Sitten he yhdistivät tämän sekä rakeisen kalsiittinäytteen että vertailun vuoksi piidioksidin (hiekan) rakeiden kanssa.
”Näimme, että ruiskutettavat karbonaattimineraalit toimivat”, Louie sanoi. ”Se reagoi kemiallisesti tuottaen paljon hiilidioksidia, joka ’hapatti’ lyijyoksidin mukavaksi kakkumaiseksi rakenteeksi. Itse reaktiolla oli jäähdyttävä vaikutus, ja kaikki ’kakun’ huokoset mahdollistavat lisäjäähdytyksen.” Sitä vastoin kontrollinäytteenä käytetyllä hiekalla ei ollut mitään vaikutusta simuloituun koriumiin.
Kilogrammamittakaavassa tehty jatkokoe osoitti myös, että karbonaattirakeita voitiin menestyksekkäästi käyttää sulan materiaalin hillitsemiseen. Tutkijat ovat myös liittäneet ruiskutettavat turvamateriaalinsa Sandian reaktorin sulamisen mallinnusohjelmistoon tutkiakseen, miten rakeiset karbonaatit saattaisivat vaikuttaa kehittyvään reaalimaailman ydinkatastrofiin – kuten Japanin Fukushima Daiichin voimalassa vuonna 2011 tapahtuneeseen.
”Vaikka ydinvoimaa voidaan tehdä turvallisemmaksi monin tavoin, kiertoaaltoreaktoreiden ja sulasuolareaktoreiden kaltaiset ratkaisut edellyttävät usein täysin uutta infrastruktuuria, jonka kehittäminen voi viedä vuosikymmeniä”, sanoo fyysikko Lawrie Skinner Stanfordin yliopistosta, joka ei ollut mukana tässä tutkimuksessa. Hän lisää: ”Tämä karbonaatin injektointimenetelmä tarjoaa yksinkertaisen tavan tehdä nykyisestä reaktoriteknologiasta turvallisempaa.”
Tarvitaan suurempia demonstraatioita
”Vaikka se täytyy vielä demonstroida kokeellisesti suuremmissa mittakaavoissa ja materiaaleilla, jotka vastaavat läheisesti ydinsulaa, on jännittävää nähdä, miten nämä karbonaatin injektointimenetelmät suoriutuvat.”
Materials Development Inc:ssä työskentelevä Oliver Alderman on tutkinut aiemmin koriumlaavaa, ja hän kutsuu uutta tutkimustulosta ”erittäin hienoksi konseptiksi”. ”Ihmettelen kyllä koriumin lämpötilan vaikutusta – korium voi olla paljon kuumempi kuin käytetty lyijysula – ja myös sekundaarisia eksotermisiä reaktioita, joita voi tapahtua”, hän varoittaa.
Hän lisää: ”Toinen mielenkiintoinen seikka, joka on otettava huomioon, on se, että ’kakku’-materiaalin lämmönjohtavuus on todennäköisesti hyvin alhainen, ja tämä voi olla reaktorin suunnittelusta riippuen joko etu tai haitta”.
Tutkijat ovat saaneet alustavan tutkimuksensa valmiiksi, ja heillä on nyt vireillä ei-ennaltaehkäisevä patentti injektoitaville turvamateriaaleille, ja he pyrkivät myös suorittamaan vielä laajemman mittakaavan testejä, mutta sisällyttämällä niihin köyhdytettyä uraania.
”Sen jälkeen olisimme valmiita kaupallistamaan tekniikan”, Louie sanoi ja lisäsi, että karbonaattiset suojamateriaalit ”voitaisiin asentaa jälkikäteen mihin tahansa olemassa olevaan ydinreaktorirakenteeseen”.
Sandia National Laboratories pyytää kiinnostuksenilmaisuja muilta tutkimusryhmiltä ja organisaatioilta, jotka ovat kiinnostuneita yhteistyöstä tulevissa töissä, jotka koskevat tätä lähestymistapaa koriumin suojaamiseen.