Utveckling av olyckstolerant kärnbränsle
- Diarienummer
- EM16-0031
- Start- och slutdatum
- 180201-240131
- Beviljat belopp
- 33 350 702 kr
- Förvaltande organisation
- Chalmers University of Technology
- Forskningsområde
- Materialvetenskap och materialteknologier
Summary
Genom att utveckla kärnbränslen med förbättrad tålighet mot höga temperaturer kan effekterna av en eventuell olycka minskas betydligt. Så kallat olyckstolerant kärnbränsle består av två komponenter, bränslekutsarna och kapslingsrören. Ett sätt att förbättra kapslingsrören är att förse dem med en beläggning. I det här projektet ämnar vi studera en konventionell krombeläggning, som appliceras med kallsprutning, och en helt nyutvecklad beläggning. Bränslekutsarna kan göras bättre genom att tillverkas av UN istället för dagens UO2. Förutom högre densitet och bättre värmeledning minskar UN också utsläppen av farliga ämnen, och på så sätt minskar konsekvenserna av en olycka. Nya vägar att förbättra bränslets korrosionsmotstånd kommer också att utforskas, för att ytterligare öka säkerhetsmarginalerna. Nya bränslen med belagda kapslingsrör kommer att karaktäriseras både i sitt ursprungsskick och efter exponering i vatten/ånga, liksom efter bestrålning i Haldenreaktorn. Undersökningarna görs med elektronmikroskopi, atomsondstomografi och oförstörande gammaemissionstomografi. Experimenten kompletteras med atomistisk ab-initio modellering för att erhålla mekanistisk förståelse av oxidationsfenomenen inklusive effekten av bestrålning. Bränslets egenskaper ska utvärderas både under normal drift och under simulerade olyckor. Vi eftersträvar en sådan nivå av förståelse att implementering av det nya bränslesystemet, tillverkat av svenska företag, kan ske inom en tioårsperiod.
Populärvetenskaplig beskrivning
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.