Forskning finansierad av företaget IBC Advanced Alloys visar att ett nytt kärnbränsle, som förutom urandioxid även innehåller ämnet berylliumoxid, är både effektivare och säkrare än traditionella kärnbränslen. Företaget satsar nu på att utveckla bränslet för kommersiellt bruk i nuvarande och framtida kärnreaktorer.
Kärnkraftsindustrins främsta utmaningar ligger idag inom säkerhet och avfallshantering. Det kanadensiska företaget International Beryllium Corporation (IBC) Advanced Alloys arbetar därför i samarbete med de amerikanska universiteten Purdue University och Texas A&M University med att ta fram ett förbättrat kärnbränsle som hjälper till att öka säkerhetsmarginalerna och minska mängden avfall, samtidigt som det minskar driftskostnaderna.
Spetsat kärnbränsle
De bränslestavar som idag används i de flesta kärnkraftverk innehåller anrikat uran i form av urandioxid. Ett av problemen med urandioxid är emellertid att det som ämne har dålig värmeledningsförmåga, vilket leder till att temperaturen i bränslets mitt är mycket högre än yttemperaturen.
För att uppnå en jämnare temperaturfördelning i bränslet och därigenom förbättra dess egenskaper måste värmeledningsförmågan ökas, något som kräver att ett nytt material införs. För att bevara bränslets integritet är det viktigt att det material som används inte reagerar med urandioxiden, även vid höga temperaturer.
IBC Advanced Alloys menar att det ämne som lämpar sig bäst för uppgiften är berylliumoxid. Berylliumoxid är nämligen den oxid som har högst värmeledningsförmåga och det reagerar inte kemiskt med urandioxid så länge temperaturen inte är högre än 2 100 grader Celsius.
Ökad livslängd
För att demonstrera fördelarna med kärnbränsle förbättrat med hjälp av berylliumoxid har en rad simulerade tester gjorts av forskare vid Purdue University och Texas A&M University. Resultaten av forskningen visar att det genom att tillsätta 10 volymprocent berylliumoxid till ett urandioxidbränsle går att sänka temperaturen i bränslets mitt med 200 grader Celsius, från 800 till 600 och medeltemperaturen i bränslet med cirka 100 grader, samtidigt som yttemperaturen hålls konstant.
Eftersom det är yttemperaturen som avgör hur mycket energi som kan utvinnas betyder det att man kan få ut lika mycket energi ur bränslet trots att temperaturen i bränslet är betydligt lägre.
Den lägre temperaturen förutspås i sin tur betyda att bränslets livslängd ökar och att bränsleförbrukningen på så vis skärs ner med uppskattningsvis 4 procent. En lägre bränsleförbrukning medför givetvis lägre bränslekostnader, men är även fördelaktigt för miljön då mindre uran behöver brytas och mängden kärnavfall minskar.
– Denna senaste fas i arbetet bekräftar vår övertygelse att bränsle förbättrat med beryllium oxid kommer att gynna den globala kärnbränsletekniken och därför även avsevärt öka efterfrågan på berylliumoxid som en sällsynt metall, säger Anthony Dutton, vd för IBC Advanced Alloys.
Ökad säkerhet
Även ur säkerhetssynpunkt medför en lägre bränsletemperatur ett flertal fördelar som gör det nya kärnbränslet attraktivt. Till skillnad från de flesta andra energikällor går ett kärnkraftverk inte att stänga av utan fördröjning, eftersom det radioaktiva materialet i bränslet fortsätter att generera värme under lång tid. Ett bränsle som har lägre temperatur under drift bidrar därför till att reaktorn kan stängas ner fortare.
Det innebär även att man om en krissituation skulle uppstå har längre tid på sig att åtgärda problemet innan bränslet överhettas. En lägre temperatur medför också att den mängd gas som produceras under fissionsprocessen minskar.
De minskade temperaturskillnaderna i bränslet minskar dessutom risken för att bränslet ska spricka och att radioaktivt material ska läcka ut i kylsystemet.
Tillverkning
I och med att fördelarna med att tillsätta berylliumoxid till urandioxidbränsle kunnat påvisas ligger utmaningen i nuläget först och främst i att förfina en tillverkningsmetod för bränslet som kan användas i stor skala.
Det är viktigt att berylliumoxiden vid tillverkningen sprids ut jämnt i hela bränslet eftersom klumpar av berylliumoxid inte kan leda bort värme från bränslets mitt. För att åstadkomma detta har en speciell sintringsteknik tagits fram. Tekniken går ut på att urandioxid i pulverform blandas med ett ännu finare pulver av berylliumoxid. Blandningen pressas sedan samman och sintras ihop till bränslepellets.
Eftersom metoden liknar befintliga tillverkningsmetoder för urandioxidbränsle kan existerande anläggningar för bränsletillverkning enligt IBC Advanced Alloys relativt enkelt modifieras för att tillverka det nya bränslet utan att några större investeringar krävs.
Industrisamarbete
En stor fördel med det berylliumoxidbränsle som föreslås av IBC Advanced Alloys är även att det både kan användas direkt i existerande lättvattenreaktorer och i nästa generations kärnreaktorer.
Utöver att fullända tillverkningsprocessen återstår emellertid även ett flertal andra steg innan bränslet kan tas i kommersiellt bruk. Det handlar bland annat om systematisk designanalys, insamling av prestationsdata och bestrålningstester.
De positiva resultat som erhållits med hjälp av simuleringar ska även bekräftas experimentellt i det amerikanska energidepartementets testreaktor ATR (Advanced Test Reactor).
För att kunna genomföra nästa fas i testningen och utvecklingen av bränslet letar IBC Advanced Alloys därför nu efter lämpliga samarbetspartners inom kärnkraftsindustrin.
