Två KTH-projekt inom kärnenergi har fått över 50 miljoner kronor av Energimyndigheten. Pengarna ska användas till att bygga upp ett forskningslaboratorium och en kunskapsplattform för framtidens kärnkraft.
Av Jörgen Städje
– Det handlar om att bygga upp ny infrastruktur som vi inte har i dag i Sverige eller världen, säger Pär Olsson, professor i fysik och kärntekniska material.
Pär Olsson forskar om kärntekniska material för nuvarande och framtida kärnkraft. Han jobbar också med strålskadefysik för fission och fusion samt utveckling, modellering och karakterisering av nya material för komponenter och kärnbränsle.
De två projekten syftar till att främja forskningsinfrastruktur samt test- och experimentinfrastruktur för framtida kärnkraft. Projekten ligger inom ramen för KTH:s strategiska forskningssatsning på kärnenergi: Nexus.
Höj verkningsgraden med nytt bränsle
– Vi vill undersöka vad man kan åstadkomma om man kan gå ifrån det vanliga sättet att bygga kärnreaktorer.
Vanligt kärnbränsle består av cylindriska kutsar i avlånga rör med bra värmeledningsförmåga[1] staplade tätt intill varandra för att man ska få en effektiv härd, men med den nya metoden kan man 3D-printa bränsle i nya former, som inte skulle gå att gjuta, exempelvis som ”myrstackar” med kylkanaler tvärs igenom. Avsikten är att helt enkelt höja bränslets kontaktyta mot kylmedlet. På så sätt kan bränslet genomflytas av kylmedel vilket kan höja verkningsgraden, göra reaktorerna mindre och eventuellt göra att man kunde klara sig med en lägre anrikningsgrad än idag.
Ännu så länge studerar man i olika datormodeller exakt vilka strukturer man skulle kunna printa för att optimera värmeflödet. Med nya bränslegeometrier kan man designa reaktorer på ett annat sätt än det konventionella och det finns stort utrymmer för forskning och innovation.
Intressanta bränslen
– Vi tittar på högintressanta nya bränslen och urannitrid är ett sådant, eftersom det har bra värmeledningsförmåga och borde bete sig bra i en reaktor, mycket bättre än vanlig uranoxid, som används nu. När vi tillverkar urannitridpulver går vi från en metall till en hydrid (väteförening), och sen till en nitrid (kväveförening).
För att kunna skriva ut bränsle i valfri form tittar vi på en maskin som kan tillverka pulver, sk atomisering, av vad som helst, en oxid, en karbid eller av metaller. En atomiseringsmetod är att använda plasma (hög temperatur) varvid materialet blir till droppar, som stelnar medan de faller nedåt i maskinen. Alternativt kan man låta droppar skapas av ultraljudsvibrationer som sen kyls ned snabbt till sfäriska partiklar. Har man väl gjort pulver av materialet kan man sedan skriva ut det i vilken form som helst.
3D-printrar
En metod för ”utskrift” kallas Selective Laser Melting eller Selective Laser Sintering där man smälter eller hettar upp bränslepulvret med en kraftig laser så att det kan formas till lämplig form. Den andra metoden är en elektronstråleprinter (EBAM, electron beam additive manufacturing), av samma sort som sjukvårdsföretag använder för att smälta titanmetall till lårbenshalsar och ledkulor. Metoden går ut på att man smälter metallpulvret i lager på lager och bygger upp valfri form. Ännu har KTH dock inte bestämt sig för vilken maskin man vill satsa på.
En annan möjlighet att hjälpa forskningen är att printa in olika typer av föroreningar i bränslet, för att se hur det fungerar, till exempel för att undersöka vilka säkerhetsmarginaler en befintlig reaktor har. Bränslet förändras extremt mycket under drift, när uranet omvandlas till andra ämnen och det är viktigt att förstå hur man tar hand om föroreningarna efteråt.
Ytbeläggning
För att bränslet inte ska växelverka, lösas upp eller gå i förening med kylmediet måste det förses med lämplig ytbeläggning, till exempel kiseloxid eller kiselnitrid, eller någon form av aluminiumoxid. Den kan man antingen printa samtidigt med framställningen av bränslet, eller lägga till efteråt på kemisk väg.
Tidplanen
Just nu undersöker forskarna vilka maskiner som skulle fungera bäst för atomisering och 3D-utskrift. Man avser att köpa från europeiska företag och i Polen finns ett företag som tillverkar en intressant maskin för atomisering. Det finns flera företag som tillverkar elektronstråleprintrar, bland annat ett i Göteborg. Givetvis är Blykalla intresserade av projektet och stödjer det, precis som exempelvis Westinghouse.
– Vi tror att vår forskning kan öppna dörrar till nästa generations reaktorteknik!
