Een nieuwe manier om de radioactieve, lava-achtige massa die zich in de kern van een kernreactor vormt tijdens een catastrofale meltdown af te koelen en in te dammen, is ontwikkeld door onderzoekers in de VS. De techniek maakt gebruik van korrelige carbonaatmaterialen in plaats van water en is gedemonstreerd in zowel klein- als grootschalige proefopstellingen met gesmolten loodoxide. De ontwikkelaars werken nu aan een commerciële toepassing van het systeem.
Wanneer een kerncentrale een catastrofale meltdown ondergaat, kan zich een radioactief lava-achtig mengsel vormen van splijtstof, regelstaven, splijtingsproducten en de structurele componenten van de reactor. Deze gesmolten massa, die “corium” wordt genoemd, is zowel uiterst gevaarlijk als potentieel verplaatsbaar.
“Tijdens een ernstig reactorongeval smelt het vat dat de splijtstof bevatte en scheurt,” legt Sandia National Laboratories ingenieur David Louie uit. “Dan valt al dat spul op de insluitingsvloer en begint zich te verspreiden.”
Exploderende waterstof
Meltdown kan het vrijkomen van radioactief materiaal in de omgeving op twee manieren doen escaleren, waarvan de eerste het potentieel van corium is om door de vloer van het reactorgebouw te smelten en in de onderliggende grond te sijpelen. De gesmolten massa zou ook chemisch kunnen reageren met omringende materialen zoals beton, waarbij waterstofgas ontstaat dat zich kan ophopen en een explosie kan veroorzaken.
De standaardtechniek om met corium om te gaan is te proberen het af te koelen met water. Deze aanpak werkt echter meestal te langzaam, waardoor de ramp zich kan blijven ontwikkelen en radioactieve verontreinigingen in de omgeving kunnen ontsnappen.
“Uiteindelijk stopt corium met zich te verspreiden omdat water het zal afkoelen,” zei Louie. “Maar je wilt niet dat het ongeluk erger en erger wordt terwijl je bezig bent om water binnen te brengen. Het water biedt ook een bron van explosieve waterstof.”
Op zoek naar een betere methode om corium te koelen en in te dammen, wendden Louie en collega’s zich tot korrelige carbonaatmineralen zoals calciet en dolomiet, die volgens hen in het hart van reactoren kunnen worden geïnjecteerd in het geval van een meltdown.
Kleinschalige test
Geginnend met een kleinschalige test, verhitte het team een paar gram loodoxidepoeder tot 1000 °C om een gesmolten materiaal te creëren dat lijkt op corium. Vervolgens combineerden zij dit met zowel een monster van korrelig calciet als, ter vergelijking, korrels siliciumdioxide (zand).
“We zagen dat de injecteerbare carbonaatmineralen werken,” zei Louie. “Het reageerde chemisch om veel kooldioxide te produceren, dat het loodoxide ‘zuurde’ tot een mooie cake-achtige structuur. De reactie zelf had een verkoelend effect, en alle poriën in de ‘koek’ zorgen voor verdere afkoeling.” Het zand dat als controlemonster werd gebruikt, had daarentegen geen effect op het gesimuleerde corium.
Een vervolgexperiment, uitgevoerd op kilogram-schaal, toonde eveneens aan dat carbonaatkorrels met succes konden worden toegepast om het gesmolten materiaal in te sluiten. De onderzoekers hebben hun injecteerbare veiligheidsmaterialen ook opgenomen in de software van Sandia voor het modelleren van reactorsmeltingen om te onderzoeken hoe granulaire carbonaten een zich ontvouwende echte kernramp zouden kunnen beïnvloeden – zoals de ramp die zich in 2011 in de Japanse kerncentrale Fukushima Daiichi voordeed.
“Hoewel er veel manieren zijn om kernenergie veiliger te maken, impliceren oplossingen zoals travelling wave reactoren en gesmolten zoutreactoren vaak volledig nieuwe infrastructuur, die tientallen jaren kan duren om te ontwikkelen,” zegt natuurkundige Lawrie Skinner van de Stanford University, die niet betrokken was bij de huidige studie. Hij voegt eraan toe: “Deze carbonaatinjectiemethode biedt een eenvoudige manier om de huidige reactortechnologie veiliger te maken.”
Grote demonstraties nodig
“Hoewel het nog experimenteel moet worden aangetoond op grotere schalen en met materialen die nauw overeenkomen met nucleaire smelt, zal het spannend zijn om te zien hoe deze carbonaatinjectiemethoden presteren.”
Oliver Alderman van Materials Development Inc. heeft eerder corium lava bestudeerd en noemt het nieuwe onderzoek “een heel mooi concept”. “Ik vraag me wel af wat het effect is van de coriumtemperatuur – corium kan veel heter zijn dan het gebruikte gesmolten loodoxide – en ook van secundaire exotherme reacties die kunnen optreden,” waarschuwt hij.
Hij voegt eraan toe: “Een ander interessant punt om te overwegen is dat de thermische geleidbaarheid van het ‘cake’-materiaal waarschijnlijk erg laag zal zijn, en dit zou een voordeel, of een nadeel, kunnen zijn, afhankelijk van het reactorontwerp.”
Met hun eerste studie voltooid, hebben de onderzoekers nu een niet-provisioneel octrooi in de maak voor de injecteerbare veiligheidsmaterialen en zijn ook op zoek naar het uitvoeren van nog grootschaliger tests, maar met de integratie van verarmd uranium.
“Daarna zouden we klaar zijn om de technologie te commercialiseren,” zei Louie, die eraan toevoegde dat de carbonaat insluitingsmaterialen “achteraf kunnen worden ingebouwd in elk bestaand ontwerp van kernreactoren”.
Sandia National Laboratories roept op tot het indienen van blijken van belangstelling van andere onderzoeksgroepen en organisaties die geïnteresseerd zijn in samenwerking bij toekomstige werkzaamheden aan deze benadering van corium insluiting.