Tijdens een driejarig laboratoriumgericht onderzoeks- en ontwikkelingsproject, een team van wetenschappers ontdekte en patenteerde een proces voor het injecteren van zandachtige mineralen in de kern van een kernreactor tijdens een ongeval om de voortgang van een kernsmelting in te dammen en te vertragen.

Sandia ontwikkelde computermodellen en software (bekend als MELCOR) die laten zien hoe corium, een zeer radioactief lava-achtig mengsel van nucleaire brandstof, splijtingsproducten, controle staven, structurele materialen en andere componenten, smelt door een kernreactor en verspreidt zich tijdens een kernsmelting.

"Tijdens een ernstig reactorongeval, het vat dat de brandstof bevatte smelt en scheurt, en dan valt al dat spul op de opvangvloer en begint zich te verspreiden, "Sandia nucleair ingenieur David Louie zei.

Kernreactorongevallen zijn zeldzaam, maar als ze gebeuren, de gevolgen kunnen verwoestend zijn voor mensen, het milieu en het vertrouwen van het publiek in de veiligheid van kernenergie, zei Louie.

Als nationaal laboratorium Sandia doet onderzoek naar alle aspecten van kernenergie, van productie tot afvaltransport en opslag, en werkt om ervoor te zorgen dat veiligheid in elke stap is ingebouwd. Dit omvat het gebruik van computersoftware zoals MELCOR om catastrofale ongevallen te modelleren om te begrijpen waarom ze gebeuren en om te bestuderen hoe verschillende scenario's de uitkomst veranderen.

Wanneer corium zich verspreidt, het kan het vrijkomen van radioactief materiaal in het milieu op twee manieren escaleren, zei Louie. Het kan door de vloer van het gebouw smelten en in de grond sijpelen en het reageert chemisch met de materialen die het aanraakt. Bijvoorbeeld, wanneer corium reageert met beton kan waterstofgas ontstaan, wat kan leiden tot een mogelijke explosie.

Bij werkelijke kernsmeltrampen en in gemodelleerde scenario's, de traditionele benadering was om water te gebruiken om corium af te koelen, maar dit proces heeft niet snel genoeg gewerkt om te voorkomen dat het ongeval voortschrijdt en de besmetting zich verspreidt.

"Uiteindelijk stopt corium met verspreiden omdat water het zal afkoelen, "Zei Louie. "Maar je wilt niet dat het ongeluk erger en erger wordt terwijl je aan het werk bent om water binnen te halen. Het water levert ook een bron van explosieve waterstof."

Eet deze cake niet - 'rijzen' van radioactieve lava om af te koelen, bevatten

Louie, Yifeng Wang, Jessica Kruichak en andere teamleden bestudeerden en testten natuurlijke carbonaatmineralen, zoals calciet en dolomiet, om te bepalen of ze kunnen helpen corium in te dammen en te voorkomen dat een reactorongeval escaleert. De eerste stap was een klein benchtop-experiment met gram gesmolten loodoxidepoeder om corium te simuleren. De onderzoekers verhitten het loodoxide tot 1, 000 C (1, 832 F) en goot het gesmolten materiaal vervolgens over korrelig calciet. Als controle, ze herhaalden de test met zand (siliciumdioxide in korrelvorm) in plaats van calciet.

"We zagen dat de injecteerbare carbonaatmineralen werken, " zei Louie. "Het reageerde chemisch om veel koolstofdioxide te produceren, die het loodoxide 'zuurde' tot een mooie cakeachtige structuur. De reactie zelf had een verkoelend effect, en alle poriën in de 'cake' zorgen voor verdere koeling."

Wanneer zand werd gebruikt in de controletest, er is niks gebeurd, zoals de onderzoekers verwachtten.

Het team ging vervolgens verder met een groter experiment op kilogramschaal met meer loodoxide en korrelig calciet. Ze herhaalden ook het zandbestrijdingsexperiment op grotere schaal. De resultaten bleven aantonen dat injecteerbare granulaire carbonaten een veelbelovende oplossing zouden kunnen zijn om de verspreiding van corium te voorkomen, zei Louie.

Tijdens het laatste jaar van het project, Louie, Wang, Alec Kucala, Rekha Rao en Kyle Ross vertaalden de resultaten van de experimenten in MELCOR en bouwden een ongevalsvolgorde om te modelleren hoe injecteerbare mineralen een kernreactorongeval zouden beïnvloeden, vergelijkbaar met het ongeval in Fukushima Daiichi in Japan.

Het team heeft een niet-voorlopig patent in uitvoering voor de injecteerbare materialen en hoopt in de toekomst grotere experimenten uit te voeren met verarmd uranium. zegt Louie.

"Daarna, we zouden klaar zijn om de technologie te commercialiseren, " zei Louie. "Deze materialen kunnen achteraf worden ingebouwd in elk bestaand ontwerp van een kernreactor."