Haveritåliga bränslen

Haveritåliga bränslen kan förändra kärnkraften i grunden

SiC-kapsling under utveckling inom Westinghouse

Både AREVA NP och Westinghouse är på väg att provbestråla en ny typ av kärnbränsle i en kommersiell reaktor. Bland de stora bränsleleverantörerna pågår ett omfattande utvecklingsarbete att få fram bränslen med kapsling av andra material än zirkonium. Målet är att ta fram bränslen som beter sig bättre i haverisituationer än de klassiska zirkoniumkapslade bränslena, men man är givetvis också ute efter att förbättra egenskaperna under normal drift. Att en helt ny bränsletyp når ett utvecklingssteg som innebär provbestrålning i en kommersiell reaktor händer inte så ofta och får ses som ett genombrott inom kärnbränsleutvecklingen.

Kärnbränslemarknaden domineras totalt av urandioxidbränslen och det har egentligen inte funnits några starka drivkrafter att införa helt andra bränsletyper i den komplexa infrastruktur som byggts upp kring den marknadsdominerande urandioxiden. Olyckan i Fukushima har dock drivit på en utveckling av så kallade accident tolerant fuels, eller haveritåliga bränslen. Det är välkänt att kapslingsmaterialet, baserat på zirkonium, i befintligt bränsle i dagens reaktorer har en förmåga att utveckla värme vid en härdsmälta och därmed påskynda och försvåra haveriförloppet. Processen orsakar spjälkning av vatten vilket ger upphov till vätgas som är problematisk då den tillsammans med syrgas bildar explosiv knallgas. Man strävar därför efter att på olika sätt förhindra den processen och samtidigt förbättra driftegenskaperna hos själva bränslet innanför kapslingen.

En helt ny bränsletyp skulle förmodligen bli dyrare på marknaden än dagens kärnbränsle eftersom mycket stora investeringar behöver göras hos leverantörerna. Affärsmodellen för de nya bränslena bygger på att kärnkraftsproducenterna, genom att bränslets mer gynnsamma uppförande vid ett haveri, ändra driften av reaktorerna och därigenom spara pengar. För nya reaktorer kan man också tänka sig att behoven av haverilindrande system och beredskapsåtgärder skulle minska när man redan genom utformningen av bränslet uteslutit vissa besvärliga scenarier.

Det amerikanska energidepartementet, Department of Energy, initierade efter Fukushima-olyckan 2011 ett forskningsprogram kring bränslen med förbättrad haveritålighet - Enhanced Accident Tolerant Fuels. I USA är det brukligt att staten finansierar forskning inom de områden som är kritiska för att upprätthålla samhällets funktioner. Dit räknas kärnkraften. Forskningssatsningen omfattar 59 miljoner dollar under tio år och forskningen utförs i samarbeten mellan universitet, industri och nationella laboratorier.

Areva meddelade under sommaren att man inom ramen för programmet avser att testa en ny bränsletyp reaktorn Vogtle-2 i Georgia. Arevas nya bränsle består av en urandioxidkuts dopad med krom vilket ger en högre densitet och högre förmåga att hålla kvar radioaktiva fissionsprodukter inne i bränslet för det fall bränslet inte skulle kylas tillräckligt. Kutsarna omges av en kapsling med en krombeläggning utanpå den traditionella zirkoniumlegeringen. Kromet ger bättre skydd mot oxidering och minskar vätgasbildningen i ett eventuellt haveriförlopp. Att inblandningen av krom ger en förbättrad mekanisk integritet medför också ett längre så kallad rådrum. Reaktorn klarar sig en längre tid på egen hand utan mänskliga ingrepp efter en inledande händelse. Det här är viktigt då det ger mer tid att förstå vad som händer och planera de åtgärder som kan behöva vidtas för att undvika en olycka. Krombeläggningen förväntas också ge en bättre motståndskraft mot de nötskador som kan uppstå om något skräp hamnat i reaktorvattnet. Det skulle minska antalet bränsleskador och ge en mer tillförlitlig drift av reaktorn. Tanken är att påbörja bestrålningen i Vogtle under våren 2019.

Westinghouse, med verksamhet i Västerås, deltar också i det amerikanska energidepartementets forskningsprogram för haveritåliga bränslen. Sedan ett antal år tillbaka har man kromdopade kutsar – liknande de som Areva utvecklar – kommersiellt tillgängliga. Westinghouse uppger att det kromdopade bränslet – ADOPT – redan idag är standard vid leveranser till de svenska kokvattenreaktorerna. Dock är kapslingen den konventionella och bränslet kvalar därför inte in som ett haveritåligt bränsle enligt gängse benämning.

Både Westinghouse och Areva utvecklar även kiselbaserade bränslen och kapslingar. Uran i förening med kisel (uransilicid) tillåter en större mängd uran i samma volym och har en sex gånger högre värmeledningsförmåga än oxidbränslen. Detta bränsle kan sedan kapslas in med ett material baserat på kisel och kol (SiC). Enligt Westinghouse skulle en sådan kapsling ge ännu mer fördelaktiga haveriegenskaper hos bränslet, men det kommer ta längre tid att utveckla än den krombelagda kapslingen. Westinghouse planerar att testa sitt kiselbaserade bränsle med den krombelagda kapslingen i den kommersiella reaktorn Byron-2 under våren 2019.

Även bränsleproducenten Global Nuclear Fuel (GNF) är verksamma inom området haveritåliga bränslen. I Sverige finns GNF representerade genom delägaren GE Hitachi. GNF fokuserar på att vidareutveckla konventionellt urandioxidbränsle med ett kapslingsmaterial som är fritt från zirkonium. Istället baseras kapslingen på järn, krom och aluminium.

Eric Ramenblad, chef för bränsleavdelningen vid Forsmarks kärnkraftverk, menar att industrin idag klarar alla haverikrav med konventionellt bränsle. Det finns av den anledningen ingen akut drivkraft att byta bränsletyp, men det kan, enligt Eric, finnas betydande besparingsmöjligheter med haveritåliga bränslen sett till reaktorernas säkerhetssystem som helhet. Till exempel skulle man kunna reducera olika säkerhetssystem, såsom härdnödkylningen, från fyra till två parallella system alternativt lätta på driftklarhetskraven för redundanta säkerhetssystem. Det ger färre system och komponenter att underhålla, vilket är något som är aktuellt i USA, säger Eric. På Forsmark har man idag ännu inte gjort någon djupgående analys av vad haveritåliga bränslen skulle kunna medföra, men det är enligt Eric ett intressant område att följa och värdera framöver. Bränsleutveckling är en långsiktig fråga där nya material och bränslekonstruktioner måste testas och utvärderas ordentligt innan de införs i större skala, avslutar Eric.