Az atomreaktorok magjában katasztrofális olvadáskor keletkező radioaktív, lávaszerű massza hűtésének és megfékezésének új módját fejlesztették ki amerikai kutatók. A technika során víz helyett szemcsés karbonátos anyagokat használnak, és mind kis-, mind nagyméretű tesztüzemekben már demonstrálták, olvasztott ólom-oxidot használva. A fejlesztők most a rendszer kereskedelmi alkalmazásán dolgoznak.
Amikor egy atomerőműben katasztrofális olvadás következik be, radioaktív lávaszerű keverék képződhet a nukleáris üzemanyagból, vezérlő rudakból, hasadási termékekből és a reaktor szerkezeti elemeiből. Ezt a “koriumnak” nevezett olvadt masszát rendkívül veszélyesnek és mozgékonynak is nevezik.
“Egy súlyos reaktorbaleset során az üzemanyagot tartalmazó tartály megolvad és megreped” – magyarázza David Louie, a Sandia National Laboratories mérnöke. “Aztán az összes anyag kiesik a konténment padlójára, és elkezd terjedni.”
Robbanó hidrogén
Az olvadás kétféleképpen is fokozhatja a radioaktív anyagok környezetbe jutását, az első, hogy a korium megolvadhat a reaktorépület padlóján, és beszivároghat az alatta lévő talajba. Az olvadt massza kémiai reakcióba léphet a környező anyagokkal, például a betonnal, és hidrogéngázt hozhat létre, amely felhalmozódhat, és robbanást okozhat.
A korium kezelésének szokásos technikája, hogy megpróbálják vízzel lehűteni. Ez a megközelítés azonban általában túl lassan működik, így a katasztrófa tovább fejlődik, és radioaktív szennyeződések jutnak ki a környező területre.
“Végül a korium megszűnik terjedni, mert a víz lehűti” – mondta Louie. “De nem akarjuk, hogy a baleset egyre rosszabb és rosszabb legyen, miközben azon dolgozunk, hogy vizet juttassunk be. A víz robbanékony hidrogénforrást is biztosít.”
A korium hűtésének és visszatartásának jobb módszerét keresve Louie és kollégái a szemcsés karbonátos ásványok, például a kalcit és a dolomit felé fordultak, amelyeket szerintük egy esetleges olvadás esetén be lehetne juttatni a reaktorok szívébe.
Kisléptékű teszt
A csapat egy kisléptékű teszttel kezdte, néhány gramm ólom-oxidport 1000 °C-ra hevített, hogy a koriumhoz hasonló olvadt anyagot hozzon létre. Ezt aztán kombinálták egy szemcsés kalcitmintával és – összehasonlításképpen – szilícium-dioxid szemcsékkel (homokkal).
“Láttuk, hogy a beadagolható karbonátásványok működnek” – mondta Louie. “Kémiai reakcióba lépve sok szén-dioxid keletkezett, ami “kovásszá” tette az ólom-oxidot, és szép, süteményszerű szerkezetet alkotott. Maga a reakció hűtő hatású volt, és a “torta” összes pórusa további hűtést tesz lehetővé”. Ezzel szemben a kontrollmintaként használt homok nem volt hatással a szimulált koriumra.
Egy további, kilogrammos léptékben végzett kísérlet szintén azt mutatta, hogy a karbonátgranulátumokat sikeresen lehetett alkalmazni az olvadt anyag visszatartására. A kutatók a Sandia reaktorolvadást modellező szoftverébe is beépítették beadagolható biztonsági anyagaikat, hogy megvizsgálják, hogyan befolyásolhatnának a granulált karbonátok egy kibontakozó valós nukleáris katasztrófát – mint amilyen a japán Fukusima Daiicsi erőműben 2011-ben bekövetkezett volt.
“Bár az atomenergia biztonságosabbá tételének számos módja van, az olyan megoldások, mint az utazó hullámreaktorok és az olvadt só reaktorok gyakran teljesen új infrastruktúrát igényelnek, amelyek kifejlesztése évtizedekig tarthat” – mondja Lawrie Skinner fizikus a Stanford Egyetemről, aki nem vett részt a jelen tanulmányban. Hozzáteszi: “Ez a karbonát-befecskendezési módszer egyszerű módot kínál a jelenlegi reaktortechnológia biztonságosabbá tételére.”
Nagyobb demonstrációkra van szükség
“Bár kísérletileg még nagyobb léptékben és a nukleáris olvadékhoz közeli anyagokkal kell demonstrálni, izgalmas lesz látni, hogyan teljesítenek ezek a karbonát-befecskendezési módszerek.”
Oliver Alderman a Materials Development Inc. munkatársa korábban koriumlávát tanulmányozott, és az új kutatást “nagyon szép koncepciónak” nevezi. “Kíváncsi vagyok a korium hőmérsékletének hatására – a korium sokkal forróbb lehet, mint a felhasznált olvadt ólom-oxid – és az esetlegesen fellépő másodlagos exoterm reakciókra is” – figyelmeztet.
Hozzáteszi: “Egy másik érdekes szempont, amit figyelembe kell venni, hogy a “torta” anyagának hővezető képessége valószínűleg nagyon alacsony lesz, és ez a reaktor kialakításától függően előny vagy hátrány lehet”.
A kezdeti tanulmányuk befejeztével a kutatók már folyamatban van a befecskendezhető biztonsági anyagok nem ideiglenes szabadalmaztatása, és még nagyobb léptékű teszteket is szeretnének végezni, de már szegényített urán beépítésével.
“Ezután készen állnánk a technológia kereskedelmi forgalomba hozatalára” – mondta Louie, hozzátéve, hogy a karbonátos szigetelőanyagokat “bármely meglévő nukleáris reaktorkonstrukcióba utólagosan be lehetne építeni”.
A Sandia National Laboratories felhívást intéz más kutatócsoportok és szervezetek érdeklődésének kifejezésére, amelyek partneri együttműködést szeretnének a koriumszigetelés e megközelítésével kapcsolatos jövőbeli munkában.