I ett kärnkraftverk utsätts både bränslet och reaktorns interna delar för extrema förhållanden och stark strålning. När det nu pågår ett arbete att förlänga användningstiden för en del av de lättvattenreaktorer som finns i bruk, upp till 20 år längre än ursprungligen planerat, är det än mer angeläget att förstå åldringsprocesserna i de material som används.
Inom Sverige finns en stark specialistkompetens när det gäller kärnbränsle och strukturella material. Forskare från Uppsala universitet, KTH och Chalmers föreslår ett nytt forskningskonsortium som ska samla dessa specialister till en nationell kompetensresurs, via Svenskt Kärntekniskt Centrum SKC.
Ett av de fält som ett sådant konsortium skulle fokusera på är utvecklingen av kärnbränsle som tål svåra påfrestningar bättre än det vi har idag, och som skulle ge större marginaler för att förhindra härdsmälta vid olyckor. Konsortiet skulle även ägna sig åt studier av hur material åldras när de påverkas av strålning och andra faktorer i reaktormiljön.
Åldrande material
De lättvattenreaktorer vi har i Sverige idag börjar bli till åren. De tillverkades ursprungligen för att användas i omkring 40 år, men nu diskuteras att förlänga deras liv till kanske 60 år.
När ett material bestrålas förändras och försämras det med tiden. Det kan uppstå små sprickor, och materialet kan ändra form på grund av att det till exempel bildas bubblor av helium inuti det när neutroner reagerar och ger upphov till alfastrålning (en alfapartikel är en heliumkärna). Även andra egenskaper i miljön i en lättvattenreaktor bidrar till att materialen åldras: temperatur, kemi, och mekanisk belastning. Kunskap om hur sådana faktorer påverkar materialen är viktig för underhållet av kraftverksparken.
Det är också betydelsefullt att förstå hur flödena av neutroner och gammastrålning avklingar och skärmas av i reaktortankar, och därmed hur neutronflödet kan minskas på utsatta komponenter.
Alla de här olika faktorerna vill forskarna inom de föreslagna konsortiet utforska med hjälp av experimentella metoder och datormodeller.
Bränsle i fokus efter Fukushima
I kärnkraftverket Fukushima Daiichi ledde tsunamin efter jordbävningen 2011 till elavbrott, och till följd av detta härdsmälta. Sedan dess har industri och myndigheter arbetat med bränsle för lättvattenreaktorer som ska ha förhöjd tolerans mot likartade händelser. Tåligare bränsleelement ger operatörerna mer tid att agera efter en svår olycka, för att kunna förhindra en härdsmälta.
Idag används material baserade på zirkonium för inkapslingen av kärnbränslet. Under normala förhållanden fungerar de mycket bra, men i Fukushima blev bränslet mycket hett och utsattes för vattenånga, och i den miljön korroderar zirkonium snabbt och utvecklar vätgas. Det var detta som ledde till de explosioner vi kunde se på tv.
Nu utforskas flera sätt att uppnå ett olyckståligare bränsle. Zirkoniumlegeringarna kan ersättas med material som inte reagerar lika starkt med vatten, eller materialet kan skyddas med ett ytskikt. Målet är tolerans mot sådant som stora temperaturförändringar och mot exponering för syre och vatten.
Inom konsortiet finns det också planer på att utveckla helt nya typer av bränsle- och kapslingsmaterial.
Synergi
Att samla forskning om materialåldring och bränsle under samma paraply på det här föreslagna sättet förväntas ge viktiga synergieffekter. Det skulle dessutom kunna ge en kritisk massa för gemensamma utbildningsinsatser.
Förslaget att bilda ett sådant konsortium för gemensamma forsknings- och utbildningsinsatser kring dessa frågor har lagts fram till SKC.
