Vej, skinne, båd:Sandia transporttriathlon sætter brugt nukleart brændsel på prøve

Brugt nukleart brændsel skal transporteres sikkert fra de kraftværker, hvor det genereres, til mellemlagringssteder og i sidste ende til et permanent geologisk deponeringssted.

I slutningen af ​​sidste år, Sandia-forskere afsluttede en otte måneders, 14, 500-mile triatlon-lignende test for at indsamle data om bump og stød, brugt nukleart brændsel erfaringer under transport. Dataene fra denne test kunne bruges til at demonstrere sikker transport af brugt nukleart brændsel.

Atomkraft leverer næsten 20 procent af amerikansk elektricitet og er den førende kulstofneutrale strømkilde. Imidlertid, den producerer mellem 2, 200 og 2, 600 tons brugt brændsel i USA hvert år. Brændselsstave bliver sprøde og meget radioaktive, mens de driver atomreaktoren, gør sikker transport vigtig.

Et atomaffaldstransport- og opbevaringsbeholder frisk fra samlebåndet blev fyldt med tre surrogatbrændselsstavenheder fra USA, Spanien og Sydkorea og rejste derefter fra Spanien til Colorado og tilbage igen med lastbil, skib og tog. Zirkoniumlegeringsrør fyldt med blyreb, blypellets eller molybdæn-pellets efterlignede uranoxid-pellets inde i en brugt nukleart brændselsstav.

"Alle vores foreløbige data tyder på, at sandsynligheden for, at en brændstofstang knækker under rutinemæssig håndtering og transport er lav. Denne test er mere realistisk end tidligere tests og kan resultere i en mere pålidelig kvantificering af transportrisici, " sagde Sylvia Saltzstein, leder af transportprojekterne.

Sandia samarbejdede om triatlon med Equipos Nucleares S.A. (ENSA), den spanske faddesigner og producent, og Empresa Nacional de Residuos Radiactivos S.A. (ENRESA), den virksomhed, der er ansvarlig for håndteringen af ​​nukleart affald i Spanien. Korea Radioactive Waste Agency (KORAD), Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI), og Pacific Northwest og Argonne nationale laboratorier deltog også i triatlon.

Et gitter på næsten 300 stænger udgør en brændstofsamling, og fadet brugt i testen kan rumme 32 samlinger i en specialdesignet kurv. De falske brændstofstænger i de tre enheder var udstyret med små accelerometre og strain gauges, før de gik i beholderen. Fadet og kurven var udstyret på samme måde.

Accelerometre og strain gauges målte hver bump, rasle og ryste det falske brændstof, man oplevede under turen, giver data, der kan bruges til at kvantificere sikkerhedsmarginerne ved transport af brugt nukleart brændsel.

Tidligere test efterligner transportvibrationer for at tilnærme belastninger

Selvom Sandia grundigt har testet robustheden af ​​atomaffaldsbeholdere under årtier med simulerede katastrofale transportulykker, en anden udfordring er stresset fra daglig transport på brændstofstavene inde i fadet. Saltzstein og hendes kolleger håber, at gentagne stød ikke vil føre til, at en brændstofstang knækker, som at bøje en sodavandsdåse en for mange gange.

Triatlon er faktisk Sandias fjerde test til at måle rutinemæssige transportbelastninger.

Den første brugte et stort rystebord til at teste Sandias sensorbesatte mock-brændstofsamling, med blytov i zirkoniumlegeringsrør for at efterligne vægten af ​​uranium pellets. Et shakerbord er netop det, et bord, der vibrerer op og ned på en kontrolleret måde. Forskerne programmerede bordet til at gengive stød og vibrationer fra kørsel med lastbil og målte belastningen af ​​brændstofstavene. Selvom en rimelig indledende test, bordet gik kun op og ned, så flere test var nødvendige.

Den anden test placerede den samme enhed på en lastbiltrailer læsset med 50, 000 pund beton, det samme som et transportfad, og tog den med på en 38-mile tur på motorveje, bygader og grusveje. Denne test viste lignende, meget lav, niveauer af belastning på det falske brændstof. Imidlertid, da brugt nukleart brændsel for det meste vil rejse med tog, den tredje test så på de stød og vibrationer, man oplevede, når man kørte på skinnerne.

Sandia-forskere tog stød- og vibrationsdata leveret af Association of American Railroads for at opsætte et rystebord, der kunne bevæge sig i seks retninger i stedet for kun op og ned, simulering af belastning og acceleration af togrejser. De erstattede også blyrebet i nogle af stængerne med bly- og molybdæn-piller for en bedre tilnærmelse af brugt brændsel. Denne test stemte overens med to tidligere test:Spændingerne fra normal transport er omkring 100 gange lavere end de spændinger, der vides at beskadige nukleare brændselsstave.

De tre test gav Sandia-forskere selvtillid, men de havde brug for en endnu mere realistisk test. Til triatlon, de flyttede en faktisk brugt brændselsbeholder leveret af en spansk partner, men meget lig dem, der bruges i USA, fra en transportform til en anden for at få data tættere på den virkelige verden.

Triatlon startede i det nordlige Spanien, hvor fadet kørte med tunge lastbiler i omkring 250 miles gennem hovedveje og motorveje. Efter et ophold for at downloade data fra sensorerne, Fadet blev overført til en pram, som gik langs Frankrigs kyst til Belgien, sejler mere end 1, 000 miles over fire dage. Efter et ophold i Belgien, Fadet blev overført til et fragtskib. Så krydsede skibet Atlanten til Baltimore - næsten 4, 000 miles - gennem nogle gange hård sø. Dette tog to uger.

I Baltimore, Fadet blev overført til en dedikeret fladvogn og kørte vestpå omkring 2. 000 miles gennem 12 stater, hvilket tog syv dage. Derefter, i samarbejde med Association of American Railroads, fade og brændstofsamlinger blev testet på Transportation Technology Center Inc.-anlægget nær Pueblo, Colorado. Centret har næsten 50 miles af testbane, tillade sådanne kontrollerede scenarier som at forbinde to jernbanevogne sammen eller rumlen over en sporkrydsning. Efter disse forsøg, fadet med dets sensorer vendte kurs og vendte tilbage til Spanien.

Ud over de logistiske udfordringer, den største tekniske udfordring var at bygge et dataopsamlingssystem, der kunne indsamle alle stød- og vibrationsdata robust og uden opsyn, sagde Paul McConnell, projektleder for testene. En Sandia entreprenør, Bill Uncapher, designet systemet og Sandia-teknologer, Carissa Gray og Wes Chilton, bygget systemet.

Jernbanetesten genererede omkring 8 terabyte stød- og vibrationsdata. Saltzstein forventer, at den fulde analyse vil tage næsten et år. Dataene fra testen vil også blive brugt til at validere computermodeller af de belastninger brugt brændsel oplever under normal transport.

"Foreløbige resultater viser meget lave stød- og vibrationsniveauer, som vi vil sammenligne med de mekaniske egenskaber af brændstof, der kommer ud af en atomkraftreaktor, " sagde McConnell. "I sidste ende, vi ønsker at forstå, om brændstoffet kan modstå ophobning af stød og vibrationer under rejsen, der potentielt kan få en brændstofstang til at knække."