Nowy sposób chłodzenia i zatrzymywania radioaktywnej, podobnej do lawy masy, która tworzy się w rdzeniu reaktora jądrowego podczas katastrofalnego stopienia, został opracowany przez naukowców w USA. Technika ta polega na wykorzystaniu granulowanych materiałów węglanowych zamiast wody i została zademonstrowana zarówno w małych, jak i dużych instalacjach testowych z wykorzystaniem stopionego tlenku ołowiu. Twórcy pracują obecnie nad komercyjnym zastosowaniem systemu.
Gdy elektrownia jądrowa ulega katastrofalnemu stopieniu, może powstać radioaktywna, przypominająca lawę mieszanina paliwa jądrowego, prętów kontrolnych, produktów rozszczepienia i elementów konstrukcyjnych reaktora. Nazywana „corium”, ta stopiona masa jest zarówno niezwykle niebezpieczna, jak i ma potencjał do przemieszczania się.
„Podczas poważnego wypadku w reaktorze zbiornik, w którym znajdowało się paliwo, topi się i pęka” – wyjaśnia David Louie, inżynier z Sandia National Laboratories. „Wtedy wszystko to wypada na podłogę i zaczyna się rozprzestrzeniać.”
Wybuchający wodór
Stopienie się reaktora może spowodować eskalację uwalniania materiałów radioaktywnych do otaczającego środowiska na dwa sposoby, z których pierwszym jest możliwość stopienia się korium przez podłogę budynku reaktora i przesączenia się do leżącej pod nią gleby. Stopiona masa może również reagować chemicznie z otaczającymi materiałami, takimi jak beton, tworząc wodór, który może się nagromadzić i spowodować eksplozję.
Standardową techniką radzenia sobie z corium jest próba schłodzenia go za pomocą wody. Jednak to podejście zazwyczaj działa zbyt wolno, pozwalając na dalszy rozwój katastrofy i umożliwiając ucieczkę radioaktywnych zanieczyszczeń do otaczającego obszaru.
„Ostatecznie corium przestaje się rozprzestrzeniać, ponieważ woda go ochłodzi” – powiedział Louie. „Ale nie chcesz, aby wypadek stawał się coraz gorszy, podczas gdy ty pracujesz nad doprowadzeniem wody. Woda stanowi również źródło wybuchowego wodoru.”
Szukając lepszej metody chłodzenia i zatrzymywania corium, Louie i jego koledzy zwrócili się ku granulowanym minerałom węglanowym, takim jak kalcyt i dolomit, które, jak twierdzą, mogłyby być wstrzykiwane do serca reaktorów w przypadku stopienia.
Test na małą skalę
Zaczynając od testu na małą skalę, zespół podgrzał kilka gramów sproszkowanego tlenku ołowiu do 1000°C, aby stworzyć stopiony materiał podobny do korium. Następnie połączyli to zarówno z próbką granulowanego kalcytu, jak i, dla porównania, ziarenkami dwutlenku krzemu (piasku).
„Widzieliśmy, że wstrzykiwane minerały węglanowe działają” – powiedział Louie. „Reagował chemicznie, aby wytworzyć dużo dwutlenku węgla, który 'zaczynił’ tlenek ołowiu w ładną strukturę przypominającą ciasto. Sama reakcja miała efekt chłodzący, a wszystkie pory w 'cieście’ pozwalają na dalsze chłodzenie.” W przeciwieństwie do tego, piasek użyty jako próbka kontrolna nie miał żadnego wpływu na symulowane corium.
Kolejny eksperyment, przeprowadzony w skali kilogramowej, również wykazał, że granulki węglanowe mogą być z powodzeniem stosowane do zatrzymywania stopionego materiału. Naukowcy włączyli również swoje wstrzykiwane materiały zabezpieczające do oprogramowania Sandii służącego do modelowania topnienia reaktorów, aby sprawdzić, jak granulowane węglany mogą wpłynąć na rozwijającą się w świecie rzeczywistym katastrofę jądrową – taką jak ta, która miała miejsce w japońskiej elektrowni Fukushima Daiichi w 2011 roku.
„Chociaż istnieje wiele sposobów na zwiększenie bezpieczeństwa energii jądrowej, rozwiązania takie jak reaktory z falą bieżącą i reaktory ze stopionymi solami często wymagają całkowicie nowej infrastruktury, której stworzenie może zająć dziesięciolecia” – mówi fizyk Lawrie Skinner z Uniwersytetu Stanforda, który nie brał udziału w obecnych badaniach. Dodaje: „Ta metoda wstrzykiwania węglanu oferuje prosty sposób na uczynienie obecnej technologii reaktorów bezpieczniejszą.”
Potrzebne większe demonstracje
„Chociaż wciąż trzeba to eksperymentalnie zademonstrować w większych skalach i z materiałami, które ściśle odpowiadają stopom jądrowym, ekscytujące będzie sprawdzenie, jak te metody wstrzykiwania węglanu się sprawdzają.”
Oliver Alderman z Materials Development Inc. wcześniej badał lawę korową i nazywa nowe badania „bardzo ładną koncepcją”. „Zastanawiam się nad wpływem temperatury korium – korium może być znacznie gorętsze niż stosowany stopiony tlenek ołowiu – a także nad wtórnymi reakcjami egzotermicznymi, które mogą wystąpić”, ostrzega.
Dodaje: „Innym interesującym punktem do rozważenia jest to, że przewodność cieplna materiału 'ciasta’ będzie prawdopodobnie bardzo niska, a to może być zaletą lub wadą, w zależności od projektu reaktora”.
Wraz z zakończeniem wstępnych badań, naukowcy posiadają obecnie patent nieprzewidywalny na wstrzykiwalne materiały bezpieczeństwa i zamierzają przeprowadzić testy na jeszcze większą skalę, ale z wykorzystaniem zubożonego uranu.
„Po tym będziemy gotowi do komercjalizacji technologii” – powiedział Louie, dodając, że węglanowe materiały zabezpieczające „mogłyby zostać zamontowane w każdym istniejącym reaktorze jądrowym”.
Sandia National Laboratories zaprasza do wyrażenia zainteresowania inne grupy badawcze i organizacje zainteresowane współpracą w przyszłych pracach nad tym podejściem do zabezpieczania korium.
.