Projekt

1. Deltagande i större internationella projekt

CSARP är en fortsättning på NRC’s forskningsprogram som startade efter TMI-haveriet 1979. Inom CSARP sker erfarenhetsutbyte och förmedling av forskningsresultat samt diskuteras gemensamt inriktning och prioriteringar av fortsatt forskning inom området svåra haverier. De fenomen som är i fokus i CSARP är bl.a. smältförlopp i reaktortanken, reaktortankbottens integritet, växelverkan smälta/kylmedel , smältans kylbarhet, vätgasförbränning, direkt uppvärmning av inneslutningens atmosfär och fissionsprodukters beteende och spridning. Genom att delta i CSARP erhålls tillgång till alla de resultat som framkommer i programmet samt till uppdateringar av de kodpaket som utvecklas, t.ex. MELCOR, CONTAIN och SCDAP/RELAP5. APRI 12 deltar i CSARP under perioden 2024-2026.

ROSAU är ett OECD/NEA-projekt som leds av Argonne National Laboratory i USA och där ett dussintal organisationer deltar från hela världen. Det övergripande målet med projektet är att minska de kunskapsluckor och osäkerheter som finns avseende haveriförlopp och detta ska nås genom att genomföra storskaliga experiment som undersöker:

smältans spridning utanför reaktortanken i grunda vattenmassor;
kylbarheten och interaktionen mellan smälta och betong utanför tanken.

Experimenten ska utgå från prototypiska material. Projektet är tänkt att drivas under fem år och experimenten får betecknas som högst relevanta för svenska förhållanden. Dessutom bidrar KTH från svensk sida med både experimentella och analytiska forskningsinsatser.

THEMIS är ett OECD/NEA-projekt som leds av Becker Technologies GmbH som driver experimentanläggningen THAI+ (Thermal-hydraulics, Hydrogen, Aerosols, and Iodine) i samarbete med Framatome och GRS. Fokus för THEMIS-projektet ligger på studier av processer och fenomen som inträffar i den sena fasen av ett svårt haveri såsom betong-smälta-interaktioner, generering av brännbara gasblandningar innehållande vätgas och kolmonoxid, gasblandningarnas påverkan på vätgasrekombinatorer (PAR), samt källtermsrelaterade frågor kopplade till aerosoler och fördröjda utsläpp av fissionsprodukter. Experimenten genomförs i fem serier:

I den första försöksserien studeras prestanda hos passiva autokatalytiska rekombinatorer (PAR) i en atmosfär innehållande vätgas (H2) och kolmonoxid (CO). Syftet är att förstå atmosfärens påverkan på t.ex. PAR-utrustningens rekombinationsstart, rekombinationshastighet och effektivitet i utarmningen av brännbara gaser, samt PAR-förgiftning och PAR-inducerad antändning.
I den andra försöksserien studeras förbränning och flamutbredning i en gasblandning innehållande vätgas (H2), kolmonoxid (CO), ånga och luft. Syftet är att förstå hur den koldioxid (CO2) som bildas vid förbränning påverkar flammans utbredningshastighet i olika riktningar. Experiment görs för både homogena och skiktade gasblandningar.
I den tredje försöksserien studeras jodoxiders (IOx) beteende i en inneslutningsatmosfär som innehåller små aerosolpartiklar som genereras i samband med degraderingen av härden. Syftet med försöken är att studera aerosolpartiklarnas uppbyggnad över tid, samt även att studera jodoxidernas stabilitet vid de temperaturer som förväntas råda i reaktorinneslutningen under haveriförhållanden.
I den fjärde försöksserien studeras effekter på kvarhållandet av fissionsprodukter i vattenbassänger under betingelser som innefattar gasbubblor som passerar genom vattenvolymen, s.k. ”pool scrubbing”. Denna serie efterliknar scenarier under ett haveri där ång-/gasblandningar blåses ned i en vattenfas, t.ex. i en kondensationsbassäng eller en skrubber.
Den femte och sista försöksserien kan ses som ett integralt test som kombinerar förhållandena från den första och den tredje försöksserien. Försöken inkluderar bildandet av jodoxider (IOx) genom oxidation av elementär jod (I2), jodoxidernas interaktion med vätgas (H2) och kolmonoxid (CO), PAR-utrustningens påverkan på den luftburna andelen av jodoxider (IOx), samt processer som kan medföra reduktion av dessa med återbildande av flyktig elementär jod (I2) som följd.

Syftet med programmet ESTER är att fylla kunskapsluckor avseende fördröjda utsläpp samt att ta fram en experimentell databas som möjliggör validering av de modeller som implementerats i beräkningskoder för säkerhetsanalys. Detta arbete bedrivs i tre faser:

Analytiska tester av enskilda fissionsprodukter (jod, cesium, molybden och bor) utförs inledningsvis för att studera de olika fissionsprodukternas egenskaper. Försöken utförs i IRSN:s CHROMIA plattform som har en rad analytiska tekniker för kemisk analys och för karakterisering av aerosoler, bl.a. EPICUR-uppställningen som genererar och mäter radioaktiv jod i olika former i realtid under betingelser som efterliknar förhållandena i reaktorns primärsystem under ett svårt haveri.
Semi-integrala tester genomförs sedan för att studera kopplade effekter mellan olika fissionsprodukter. Försöken utförs i IRSN:s CHIP-uppställning som kan generera blandningar med upp till sju olika ämnen och återmobilisera dessa i transportförsök som studeras i realtid.
Autentiska tester som utförs i CEA:s VERDON-laboratorium där deponerat material från bestrålat bränsle studeras. Kinetiken för förångning och deponering kommer att studeras med hjälp av laboratoriets rörugn vilken är utrustad med bl.a. pyrometer, kamera och gammaspektrometrar.

Slutligen kommer ESTER också att genomföra experiment för att ytterligare studera reaktionsvägar mellan jod och organiska material eftersom organisk jod antas kunna bildas på fler sätt än vad som är känt idag.

SARNET startade 2004 som en del av EU:s sjätte ramprogram med målet att täcka det mesta av europeisk forskning inom området svåra haverier och bilda ett nätverk för kunskapsutbyte samt koordinera/integrera forskningen i viss utsträckning. Sedan 2013 har SARNET varit en integrerad del av NUGENIA (NUclear GENeration II & III Association), ett internationellt forum vars uppdrag är att koordinera all Europeisk forskning gällande generation II- och III-reaktorer. Nätverket har vunnit erkännande utanför Europas gränser och manga nya partners (Polen, Kanada, Japan m.fl.) bidrar nu till dess aktiviteter. Inte minst viktig är den konferens, ERMSAR (European Review Meeting on Severe Accident Research), som regelbundet anordnas av SARNET och där bland annat forskare från APRI presenterar sin forskning.

2. Undersökning av riskdominerande fenomen, KTH:s forskning.

Uppgiften är att få insikt i de komplexa fenomen som sker i nedre plenum, inklusive:

relokering av smälta från härdposition till nedre plenum,
infiltration av smält metall i oxidsmälta,
dynamik vid återsmältning av härdgrus med flera komponenter,
transient mass- och värmeöverföring under återsmältningsförloppet,
värme- och massöverföring från smälta/härdgrus till tankvägg och genomföringar,
fysikalisk/kemiska interaktioner som påverkar smältans egenskaper.

En uppdaterad version av anläggningen SIMECO-2 kommer att användas för att genomföra experimenten. Analys av experimenten genomförs med beräkningskoden COCOMO vars modeller kan komma att uppdateras beroende på hur väl de lyckas återge experimentförloppet.

Målet är att ta fram modeller och verktyg för att kunna förutsäga mekanismerna vid tankgenomsmältning och frigörelse av smälta från tanken. Detta innebär arbete med:

förbättrad koppling mellan flödes- och strukturella mekanismer,
modellering av genomsmältning vid genomföringar,
mekanismer vid genomsmältningsskedet,
mekanismer vid vidgning av tankhål samt igenpluggning.

Tidigare projekt var något avgränsade genom att de endast studerade genom-smältning vid instrumentledrör. APRI 12 kommer att beakta mer och fler representativa situationer där både styrstavsledrör och instrumentledrör studeras avseende genomsmältning. Avsikten är att använda koden LS-DYNA för att modellera kopplingen mellan flödesmekanik och strukturmekanik vid tankgenomsmältningsprocessen.

Under APRI 11 inleddes ett nytt arbete där syftet var att förstå vilken påverkan strukturer under kokvattenreaktorns reaktortank har på tankgenomsmältning, ångexplosioner och smältans kylbarhet. En kartläggning gjordes av utformningen av de aktuella strukturerna för en referensanläggning och utifrån det togs en plan fram för att genomföra experiment och analytisk modellering av dessa. I APRI 12 kommer nu de första experimenten att genomföras i de båda anläggningarna DEFOR och CoSMUS. Parallellt med experimenten utförs också analytisk modellering med verktygen MPS och/eller LS-DYNA.

3. Haverikemi

Detta delprojekt är fortsättning på ett pågående doktorsarbete och omfattar:

Tellur- och jodreaktioner i inneslutningen – I APRI 11 visades att tellurdioxid under bestrålning i inneslutningssumpen kan omvandlas till tellursyra. Denna syra har enligt litteraturdata potential att oxidera icke-flyktiga jodidjoner till flyktig jodgas som sedan kan ta sig ut till omgivningen som en fördröjd källterm. Det finns dock inga experiment utförda som kan bekräfta eller förkasta ifall en sådan oxidationsreaktion verkligen äger rum. Arbetet går ut på att först ta fram en experimentmetod och skapa en experimentuppställning där relevanta experiment kan utföras. Därefter vidtar analysarbete för att identifiera eventuell frigörelse av flyktig jodgas. Experimenten utförs som bestrålningsexperiment med hjälp av den gammakälla som avdelningen för kärnkemi förfogar över.
Reaktioner mellan jod, tellur och organiska ämnen i inneslutningen – Tidigare forskning visar att såväl organiska jodider som tellurider kan bildas vid bestrålning av vatten och gas i inneslutningen efter ett svårt haveri. I det här arbetet ska det undersökas om den ena bildningsreaktionen har företräde före den andra i ett system där alla komponenter (jod, tellur, organiskt material) samexisterar. Ett enkelt experimentsystem kommer att konstrueras där reaktionsprodukterna analyseras med hjälp av ICP-MS och GC-MS.
Telluriumreaktioner med epsilonpartiklar – I kärnbränsle bildas under drift inlagrade fasta faser bestående av olika övergångsmetaller tillhörande period fem i det periodiska systemet (palladium, ruthenium, rhodium, molybden och teknetium). Sådana inlagrade faser kallas epsilonpartiklar och det kommer att undersökas om de har förmågan att reagera med tellur, en reaktion som i så fall skulle kunna fördröja frigörelsen av tellur från kärnbränslet vid upphettning under ett svårt haveri.

Projektet innebär en uppstart av ett nytt forskningsområde inom APRI med studier av urlakning av fissionsprodukter och aktinider ur en härdsmälta som är kyld i inneslutningen. Upprinnelsen till forskningen är observationer i Fukushima som visar att det sker en kontinuerlig frigörelse av sådana ämnen till det omgivande kylvattnet med en tillhörande risk för frigörelse till omgivningen. Det har nyligen startats internationella projekt inom det här forskningsområdet, bland annat inom EU och OECD/NEA. Chalmers har tidigare lång erfarenhet av lakningsstudier på använt kärnbränsle i kärnbränsleförvaret vilket ger dem goda förutsättningar att bidra till förståelse och kartläggning av fenomenet. Avsikten är att en post-doc ska rekryteras för att starta upp ett arbete i flera delar:

Tillverkning av simulantmaterial – Olika oxidpulver kommer att malas och smältas för att producera makroskopiska fasta, homogena lösningar i blandbara oxidsystem. För att kunna tillsätta halvflyktiga ämnen som t.ex. cesium används tekniken Spark Plasma Sintering (SPS) i samarbete med svenska SPS-centret vid Stockholms universitet. Därefter blandas bränsle-simulanterna med ZrO2 och betong för att åstadkomma en simulerad betong-smälta-blandning. Ett av målen är att genomföra en parametrisk studie av betydelsen av vanliga cementkomponenter i härdsmältan. Det innebär att flera olika material kommer att tillverkas för att förstå samman-sättningens påverkan på senare lakningsstudier.
Lakningsstudier – Lakningsstudier på simulantmaterial kommer att utföras i destillerat vatten vid rumstemperatur och i havsvatten vid 90 °C under tidsperioder som varierar mellan månader och upp till ett år. Upplösningen av simulantsmältan och tillhörande lakning tros påverkas starkt av bestrålning och de radiolysprodukter som uppkommer av strålningen. Tester med bestrålning i autoklaver genomförs därför med olika gas-atmosfärer (Ar, luft, H2) för att kontrollera redoxförhållandena eftersom de sannolikt påverkar bildandet av radiolysprodukter.