Pärast 2011. aastal Jaapanis toimunud Richteri skaala 9.0 palli tugevust maavärinat suleti radioaktiivse lekke tõttu osaliselt Fukushima Daiichi tuumaelektrijaam. Jaama elektrisüsteeme ning jahutusvee ringlust toitma pidanud abigeneraatorid hakkasid küll tööle, ent seiskusid peatselt, sest tsunami tulvavesi ujutas need üle. Vallandus sündmusteahel, mis päädis võimsate vesinikgaasi plahvatustega. Plahvatused lõhkusid hoonet ning paiskasid atmosfääri suurtes kogustes radioaktiivset ainet.
Vesinik tekkis aurustunud jahutusvee ning ülekuumenenud tuumkütuse vardaid katva tsirkoonsulami reaktsioonist. Tsirkoonsulamit kasutatakse kõikides vesijahutusega reaktorites. Need aga moodustavad maailma tuumajaamadest üle 90 %. Kui tsirkoonsulamit piisavalt kuumutada, hakkab see veeauruga reageerima. Vabanev vesinik muutub õhuga segunedes ohtlikuks paukgaasiks. See stsenaarium ähvardab igat jahutusvedeliku kaoga seotud tuumaõnnetust.
Sestap otsibki Ameerika Massacusettsi Tehnikainstituudi MIT töörühm alternatiivset kütusevarraste katmise tehnoloogiat. Esialgsed tulemused näitavad, et töörühma pakutud uus varjestusmaterjal vallandab aurureaktsioonis kuni tuhat korda vähem vesinikku. Keraamilise ränikarbiidiga tehtud katsetusi kirjeldav artikkel ilmub peatselt teadusajakirjas Nuclear Technology.
„Enne, kui vahetame varraste metallkatte keraamika vastu tuleb sooritada põhjalikud katsed,“ ütles MIT TEPCO tuumaenergeetika professor Mujid Kazimi, kes on ühtlasi artikli esiautor. Kütusevardad on töötsükli jooksul äärmuslikus keskkonnas. Neid väisavad tuumareaktsioonidest lenduvad neutronid, suur kuumus ning aur.
Ränikarbiidi kasutamist on soovitanud teisedki laborid, ent simulatsioonide ning materjali testimiseni ei jõutud. MIT töörühm tegi selles vallas esimesed sammud. Kazim katsetas ränikarbiidi nii normaal- kui äärmustingimustes. Näiteks matkiti varraste töökeskkonda temperatuurivahemikus 300 – 1500 kraadi Celsiuse järgi.
Tuumaelektrijaama kütusevarrastes on sadu väikseid rikastatud uraani kapsleid. Vardad on valmistatud tsirkooniumsulamist, mille siseläbimõõt on ligikaudu 1,27 cm. Toruõõnsus täidetakse heeliumgaasiga, mis parandab aktiivkütuse ning kaitseseina vahelist soojusülekannet. Kattevardaid uhab väliselt jahutusvesi. Reaktorisse langetatakse tsirkoonsulami varraste kobarad. Reaktsioonist vallandunud soojus ajab reaktsioonikatla aurama, aur aga juhitakse turbiini, mis toodab elektrit.
MIT töörühm valmistas reaktori normaaltingimuste jaoks kolmekihilise varjestustoru. Selle keskmine kiht tehti ränikarbiid-fiibervõrgust. Torud sisestati MIT katsereaktori voolusõlmedesse, mis matkisid suure tuumajaama jahutusvee temperatuuri ning selle keemilist keskkonda.
Kiiritusaparaadi modelleerisid MIT teadlased David Carpenter ning Gordon Kohse. Kiirituse mõjusid uuris magistrant John Stempien. Uue kattematerjali tugevus mehaanilistel katsetel ei vähenenud.
Töörühma liikmed Youo Lee ning Tom McKrell sooritasid ränikarbiidiga kõrgtemperatuursed oksüdatsioonikatsed. Äärmuslikel, õnnetusjärgsetel tingimustel leiti, et ränikarbiidi korrosiooni kiirus oli 100 kuni 1000 korda väiksem kui tsirkoonsulamil. Tsirkoonsulam kaotab kasvava temperatuuriga keskkonnas iga 10 oC sammuga oma tugevusest 2 % ning puruneb temperatuuril 1300 oC. Stempieni sõnul püsib ränikarbiid tugev enam kui 1500 oC temperatuuril.
„Ränikarbiidi kasutegurid on enamad, kui parem kaitse õnnetusjuhtumi puhul,“ seletas Kazimi. Ränikarbiid reageerib veega aeglaselt ning laguneb aeglaselt. Seetõttu saab seda kauem reaktoris hoida, mistõttu saab kütusevarrastest rohkem energiat. Kütusevardad vahetatakse tavaliselt välja iga nelja või viie aasta järel. Seejuures pigem kaitsetoru praakumise, mitte kütuse lõppemise pärast. See aga tähendab vähem ohtlikke jäätmeid.
Ent hulk katseid seisab veel ees. Tsirkooniumsulamist toru otsi saab keevitamisega korkida, keraamilise toru otsi aga mitte. Seega tuleb leida sobiv korkide sidumisvahend. Seejuures on oluline, et liides peaks reaktori keskkonnas vastu. „Metallosiste sidumise teadus on igatahes oluliselt enam arenenud,“ väljendas Kazimi. Veel on vaja leida torude optimaalne paksus, et saavutada parim tasakaal mehaanilise vastupidavuse ja soojusülekande vahel.
Allikas: ScienceDaily
Leave a Reply