Ett nytt sätt att kyla och innesluta den radioaktiva, lavaliknande massa som bildas i kärnan av en kärnreaktor vid en katastrofal härdsmälta har utvecklats av forskare i USA. Tekniken innebär att man använder granulära karbonatmaterial i stället för vatten och har demonstrerats i både små och storskaliga testbäddar med smält blyoxid. Utvecklarna arbetar nu mot en kommersiell tillämpning av systemet.
När ett kärnkraftverk genomgår en katastrofal härdsmälta kan det bildas en radioaktiv lavaliknande blandning av kärnbränsle, kontrollstavar, klyvningsprodukter och reaktorns strukturella komponenter. Denna smälta massa, som kallas ”corium”, är både extremt farlig och kan röra sig.
”Vid en allvarlig reaktorolycka smälter kärlet som innehöll bränslet och brister”, förklarar David Louie, ingenjör vid Sandia National Laboratories. ”Då faller allt det där materialet ut på inneslutningsgolvet och börjar spridas.”
Exploderande väte
Smältning kan eskalera utsläppet av radioaktivt material till den omgivande miljön på två sätt, varav det första är koriums potential att smälta genom reaktorbyggnadsgolvet och sippra in i den underliggande marken. Den smälta massan kan också reagera kemiskt med omgivande material, t.ex. betong, för att skapa vätgas som kan byggas upp och orsaka en explosion.
Standardtekniken för att hantera corium är att försöka kyla det med vatten. Detta tillvägagångssätt fungerar dock vanligtvis för långsamt, vilket gör att katastrofen kan fortsätta att utvecklas och att radioaktiva föroreningar kan flyga ut i det omgivande området.
”Så småningom slutar corium att sprida sig eftersom vatten kyler ner det”, säger Louie. ”Men man vill inte att olyckan ska bli värre och värre medan man arbetar med att föra in vatten. Vattnet utgör också en källa till explosivt väte.”
I sökandet efter en bättre metod för att kyla och begränsa corium vände sig Louie och kollegor till granulära karbonatmineraler som kalcit och dolomit, som enligt dem skulle kunna sprutas in i reaktorernas hjärta i händelse av en härdsmälta.
Småskaligt test
För att börja med ett småskaligt test värmde teamet några gram blyoxidpulver till 1000 °C för att skapa ett smält material som liknar korium. De kombinerade sedan detta med både ett prov av granulerad kalcit och, som jämförelse, korn av kiseldioxid (sand).
”Vi såg att de injicerbara karbonatmineralerna fungerar”, säger Louie. ”Det reagerade kemiskt för att producera en massa koldioxid, som ’jäste’ blyoxiden till en fin kakliknande struktur. Själva reaktionen hade en kylande effekt, och alla porer i ’kakan’ möjliggör ytterligare kylning.” Sand som användes som kontrollprov hade däremot ingen effekt på det simulerade coriumet.
Ett uppföljande experiment, som genomfördes i kilogramskala, visade också att karbonatgranulat framgångsrikt kunde användas för att innesluta det smälta materialet. Forskarna har också införlivat sina injicerbara säkerhetsmaterial i Sandias programvara för modellering av reaktorsmälta för att undersöka hur granulära karbonater skulle kunna påverka en pågående kärnkraftskatastrof i den verkliga världen – som den som inträffade vid Japans kärnkraftverk Fukushima Daiichi 2011.
”Det finns många sätt att göra kärnkraften säkrare, men lösningar som travelling wave-reaktorer och smältsaltreaktorer innebär ofta en helt ny infrastruktur som det kan ta årtionden att utveckla”, säger fysiker Lawrie Skinner vid Stanford University, som inte var inblandad i den aktuella studien. Han tillägger: ”Denna metod för injektion av karbonat erbjuder ett enkelt sätt att göra den nuvarande reaktortekniken säkrare.”
Större demonstrationer behövs
”Även om det fortfarande måste demonstreras experimentellt i större skala och med material som nära överensstämmer med kärnkraftsskmelter blir det spännande att se hur dessa metoder för injektion av karbonat presterar.”
Oliver Alderman på Materials Development Inc. har tidigare studerat coriumlava och kallar den nya forskningen för ”ett mycket fint koncept”. ”Jag undrar dock över effekten av koriumtemperaturen – korium kan vara mycket varmare än den smälta blyoxid som används – och även över sekundära exoterma reaktioner som kan uppstå”, varnar han.
Han tillägger: ”En annan intressant punkt att ta hänsyn till är att värmeledningsförmågan hos ’kakan’-materialet troligen kommer att vara mycket låg, vilket kan vara en fördel eller nackdel beroende på reaktorutformningen”.
Med den inledande studien avslutad har forskarna nu ett icke-provisoriskt patent på gång för de injicerbara säkerhetsmaterialen och vill också utföra ännu mer storskaliga tester, men med inblandning av utarmat uran.
”Efter det skulle vi vara redo att kommersialisera tekniken”, sade Louie och tillade att karbonatinneslutningsmaterialen ”skulle kunna eftermonteras i vilken befintlig kärnreaktordesign som helst”.
Sandia National Laboratories efterlyser intresseanmälningar från andra forskargrupper och organisationer som är intresserade av att samarbeta i det framtida arbetet med detta tillvägagångssätt för inneslutning av corium.