Superior Accident Tolerant Fuel via Enhanced Technology
- Reference number
- EM16-0031
- Start and end dates
- 180201-240131
- Amount granted
- 33 350 702 SEK
- Administrative organization
- Chalmers University of Technology
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
Improved resilience of nuclear fuel to high temperatures will reduce dramatically the consequences of potential accidents. The two relevant components of the resulting accident tolerant fuel comprise the fuel itself and the cladding. Improvements of cladding tubes are sought by applying coatings. Here, a conventional cold spray chromium coating as well as novel candidate coatings will be studied. The fuel in turn can be improved by replacing traditional UO2 pellets by UN pellets. Besides high density and superior thermal conductivity, it can be designed to reduce the release of harmful substances, thus avoiding severe effects of any accidents. In addition, novel approaches to considerably enhance the corrosion resistance of UN will be explored to increase the safety margins even more. Coated fuel systems will be characterised both in the as-produced condition and after exposure to oxidizing conditions, including irradiation in the Halden reactor. Characterization will include electron microscopy, atom probe tomography and non-destructive gamma emission tomography. Experiments will be complemented by first-principle modelling to obtain mechanistic understanding of the oxidation phenomena including influence of irradiation. Performance under normal operation conditions as well as under simulated accident conditions will be evaluated. A level of understanding of the new fuel is sought, such that it can be implemented in a ten-year perspective produced by Swedish companies.
Popular science description
Energin i ett kärnkraftverk kommer från kärnklyvning av uran. Bränslet utgörs normal av urandioxid i form av centimeterstora kutsar (pellets). Dessa är placerade i långa (4 m) rör, så kallade kapslingsrör. Dessa är tillverkade av zirkonium-legeringar. Vid olyckan i Fukushima blev det tydligt att dagens bränsle inte klarar av några längre tider utan kylning, utan oxideras under kraftig vätgasutveckling, vilket ledde till explosioner. Nu pågår arbete runt om i världen för att utveckla bättre bränslen, som ska klara sig längre tid utan kylning och på det sättet ge mer tid att sätta in åtgärder, och förhoppningsvis kunna undvika allvarliga olyckor. I det här projektet är tanken att utveckla bättre bränslen på två olika sätt. Det första sättet är att belägga kapslingsrören, antingen med krom, eller med en nyutvecklad beläggning. Beläggningens uppgift är helt enkelt att skydda zirkoniumet mot oxidation. Det andra sättet är att ersätta urandioxiden med urannitrid, vilken har en del fördelar, t..ex. bättre värmeledningsförmåga, högre densitet och en bättre förmåga att ta upp farliga ämnen som skapas i kärnklyvningsprocessen (så att de inte släpps ut vid en olycka). I detta forskningsprojekt kommer vi att använda avancerade mikroskopi- och analysmetoder, tillsammans med avancerade atomistiska beräkningsmetoder, för att undersöka belagda kapslingsrör och urannitrid, under såväl normala förhållanden som vid simulerade olycksscenarier. Målet är att uppnå en detaljerad förståelse av hur det nya bränslet beter sig, så att dess egenskaper kan optimeras. Tanken är att det nya bränslet ska tillverkas av företag i Sverige, och användas i svenska kärnkraftverk, men även gå på export. Projektet syftar till att förbättra säkerheten i kärnkraftverk, och bidra till global energiproduktion med minimala utsläpp av växthusgaser, för att bekämpa klimathotet. Projektet är ett samarbete mellan Chalmers, KTH och Uppsala Universitet.