Årtiers arbejde på Argonne National Laboratory førte til et afgørende øjeblik for amerikanske atomkraftværker

Et par år siden, flere atomreaktorer i USA stod over for muligheden for uforudsete nedlukninger i kølvandet på katastrofen ved Japans Fukushima Daiichi kraftværk. Ulykken i 2011 foranledigede en verdensomspændende undersøgelse af atomkraftsikkerhed - især med hensyn til kogende vandreaktorer, eller BWR'er.

I USA, hvor BWR'er udgør næsten en tredjedel af reaktorerne, regulatorer overvejede nye sikkerhedsforbedringer for at undgå et andet scenario som Fukushima, hvor et jordskælv og tsunami berørte en række brændstoffejl, der resulterede i radioaktive lækager. Men for BWR-operatører, nogle af de nye fremtidige krav ville have betydet lukning af adskillige reaktorer og store omkostninger for de andre anlæg til at fortsætte driften.

Til sidst, en tredje vej dukkede op, oplyst af forskning udført ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory. Data fra mange års test hos Argonne understøttede en tilgang, der både kunne bevare sikkerheden og undgå en lammende $1 milliard i udgifter for anlægsoperatører.

Foran sikkerhedskurven

Atomreaktorer er beskyttet af en stålforet indeslutningsbygning armeret med beton både indvendigt og udvendigt. I en ulykke, udfordringen er at forhindre corium-det lavalignende materiale, der dannes, når uranbrændstofstænger i reaktorkernen smelter, sammen med deres beskyttende metalbeklædning - fra at komme ind i miljøet, hvis corium undslipper reaktorbeholderen og eroderer betongulvet nedenunder. På Fukushima Daiichi -planterne, denne form for begivenhed menes at have bidraget til undslippet af højradioaktivt materiale, der forurenede nærliggende jord og sivede ud i Stillehavet.

Nukleare anlægsoperatører havde brug for en måde at sikre, at radioaktive udslip ville blive minimeret for at beskytte mennesker og miljøet i tilfælde af en ulykke. En mulighed involverede at installere store filtre på ventilationsåbningerne til disse anlæg, en løsning så dyr - op til 50 millioner dollars pr. anlæg - at en fabrikslukning i nogle tilfælde ville have været mere praktisk.

Da et industriteam kendt som BWR Owners Group undersøgte, hvordan man kunne løse disse problemer, de lærte om forskning, der havde været undervejs i Argonne i årtier. personale på laboratoriet, som har en lang historie inden for nuklear energividenskab, støttede også DOE i deres reaktion på ulykkerne ved Daiichi.

Eksperimenter leder vejen frem

Som et svar på den delvise nedsmeltning i 1979 ved Pennsylvanias Three Mile Island kraftværk, Argonne-forskere havde simuleret processen med en reaktorkernes smeltning. De studerede, hvordan det resulterende corium interagerer med beton, og hvordan den interaktion kan standses ved oversvømmelse med vand. Eksperimenterne var nogle af de største af slagsen i verden, og atomkraftvirksomheder co-sponsorerede dem til at støtte sikkerhedsforbedringer på deres anlæg.

"Vi var i bund og grund ved at afslutte dette arbejde, og så skete ulykkerne ved Fukushima Daiichi, "sagde Argonne atomingeniør Mitch Farmer, som har ledet alvorlige ulykkesanalyser og eksperimenter på laboratoriet siden 1988. "På det tidspunkt, der var en fornyet interesse for det arbejde, vi lavede – især hvordan det kunne understøtte industriens bestræbelser på at adressere de nye regulatoriske krav."

U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC) ønskede, at BWR-operatører skulle sikre, at radioaktive udslip fra et anlæg under en alvorlig ulykke kunne undgås eller gøres så lavt som muligt.

Men Argonnes forskning havde vist, at hvis corium skulle migrere uden for reaktorbeholderen, det kunne effektivt afkøles ved at injicere vand gennem fartøjet, mens radioaktivt materiale holdes inde i indeslutningsbygningen - en tilgang, der ikke ville kræve nyt udstyr eller modifikationer af anlæggene.

Forskningen hjalp også med at etablere parametre til at bestemme, hvornår corium var afkølet tilstrækkeligt, endnu en nøglebrik til at forhindre den forvirring, der ses blandt fabriksoperatører i Fukushima.

"Lige så vigtigt som afkøling af coriumrester er at kunne genkende, at du har stabiliseret det, " sagde Bill Williamson, en reaktoringeniør specialist ved Tennessee Valley Authority's Browns Ferry facilitet i Alabama, som også er en nødprocedure formand for BWR Owners Group. "Argonnes forskning hjalp os med at forstå, hvad vi skulle kigge efter, og hvad vi skulle forvente."

1 milliard dollars gennembrud

Evnen til at informere sikkerhedsstrategi med en bedre forståelse af corium -interaktioner var et vigtigt gennembrud for både industrien og landet, givet, at atomkraftværker leverer omkring en femtedel af amerikansk elektricitet uden at producere drivhusgasemissioner.

Atomenergiinstituttet, en brancheforening, krediterede Argonne -forskere med at spare BWR'ernes samlede flåde mere end $ 1 milliard i potentielle ændringer.

"Teamet hos Argonne hjalp med at forhindre flere BWR-reaktorer i at blive lukket ned, " sagde Phillip Ellison, en projektleder med BWR Owner's Group (administreret af General Electric-Hitachi). "Vi var i stand til at identificere en strategi, der fungerede for både operatører og regulatorer, og arbejdet fra Argonne var afgørende for det. "

Arbejdet på dette område i Argonne er historisk set blevet støttet af NRC, Electric Power Research Institute (EPRI), og amerikanske fabriksoperatører, samt internationale partnere. Efter ulykkerne ved Daiichi, den tekniske støtte, som Argonne var i stand til at levere til industrien i forhold til skiftende lovgivningsmæssige krav, blev leveret gennem Light Water Reactor Sustainability-programmet inden for DOE's Office of Nuclear Energy. Forskning på dette område udføres fortsat i Argonne under støtte fra NRC, EPRI, og internationale partnere for yderligere at informere anlægsoperatører om de bedste handlinger, der bør træffes under en alvorlig ulykke.