Onderzoek naar metaalgekoelde reactoren

In een korte video leggen twee NRG experts uit hoe hun computersimulaties bijdragen aan de ontwikkeling van metaalgekoelde reactoren in een samenwerking met het Belgische SCK CEN.

Het goed kunnen modelleren van warmtetransport in een kernreactor is fundamenteel. NRG ontwikkelt innovatieve modellen om de warmtetransport in vloeibaar metaal in diverse reactoromstandigheden goed en nauwkeurig te kunnen modelleren. Deze modellen worden opgesteld aan de hand van beschikbare data uit internationale experimenten en hoge resolutie simulaties van vaak relatief eenvoudige situaties. Vervolgens worden de nieuwe modellen getest met andere beschikbare data, zowel voor eenvoudige als complexe situaties die in een kernreactor voorkomen.

Reactorontwerpers willen voor ontwerp- en veiligheidsanalyses weten hoe de opgewekte warmte in splijtstofelementen efficiënt en afdoende kan worden afgevoerd. Dit begint met een analyse van de gebeurtenissen tijdens normaal bedrijf. De splijtstofelementen vervormen door het fabricageproces en onder invloed van hoge temperaturen en straling. Het is dus van belang de invloed van deze vervormingen op de warmteafvoer te analyseren. Daarnaast moeten ook allerlei mogelijke ongevalscondities beschouwd worden. De splijtstof moet ook in die situaties zijn warmte goed kunnen blijven afvoeren om lekkende splijtstofelementen te voorkomen. Het koelmiddel in de spleten tussen splijtstofelementen kan hierbij helpen. Tenslotte willen ontwerpers ook weten of de splijtstofstaven en elementen onder invloed van snelstromend vloeibaar metaal niet teveel gaan trillen. NRG-experts doen naar al deze aspecten onderzoek.

Voor veiligheidsanalyses is het van belang de stroming en het warmtetransport in het hele reactorvat of koelsysteem te kennen. Bij watergekoelde reactoren worden hiervoor thermo-hydraulische systeemcodes gebruikt. Daarin wordt een kernreactor als een verzameling 0- of 1-dimensionale elementen gemodelleerd. Voor metaalgekoelde reactoren zijn aanpassingen nodig en is vooral nog veel validatie vereist om vertrouwen te krijgen in de code. Vooral de stroming in het reactorvat vraagt om een 3-dimensionale modellering. De techniek hiervoor bestaat, maar vraagt nog teveel rekenkracht. Daarom richten NRG-experts zich op het efficiënt modelleren van grote componenten zoals de kern, warmtewisselaars en pompen en op het koppelen van bestaande 0- en 1-dimensionale rekenmodellen aan nieuwe 3-dimensionale modellen waar nodig.

Splijtstoffen en materialen voor snelle reactoren verschillen van die voor watergekoelde reactoren. In snelle reactoren worden de neutronen niet afgeremd. Hierdoor gedraagt de splijtstof zich anders en is de invloed van de neutronen op materialen van splijtstofelementen en het reactorvat ook anders. NRG voert in internationaal verband onderzoek uit naar het gedrag van splijtstoffen en materialen in de Hoge Flux Reactor. Deze reactor wordt gekoeld met water, maar de experimenten worden zo ontworpen dat de omstandigheden die optreden in een snelle reactor nagebootst worden. Doel is om vast te stellen hoe splijtstoffen en materialen vervormen door bestraling, welke splijtingsproducten gevormd worden en hoe die vrijkomen. Een deel van de benodigde metingen kan uitgevoerd worden tijdens de bestraling. Een belangrijk deel van de benodigde metingen kan pas uitgevoerd worden nadat het experiment uit de reactor gehaald is. Dit nabestralingsonderzoek vindt plaats in speciale cellen die de nog aanwezige straling tegenhouden. Hierdoor kunnen we het gedrag van de splijtstof tijdens bestraling analyseren.

In de speciale cellen wordt het experiment uit elkaar gehaald en wordt het materiaal onderzocht. Eerst vindt er niet-destructief onderzoek plaats om het materiaal te controleren op bijvoorbeeld veranderingen, vervormingen en de verdeling van splijtingsproducten. Vervolgens volgt destructief onderzoek, waarbij het materiaal bijvoorbeeld wordt doorgezaagd. Vaak worden er dan preparaten gemaakt voor verschillende microscopen om de structuur en de porositeit van het materiaal te bestuderen. Ook kunnen verdelingen van element concentraties in beeld gebracht worden en kan kristallografische karakterisatie plaatsvinden.

Snelle reactoren kunnen zo ontworpen worden dat ze op een efficiënte manier gebruikte splijtstof hergebruiken en langlevend radioactief afval omzetten in kortlevend radioactief afval. Om dit te kunnen doen is het essentieel de nuttige elementen uit de gebruikte splijtstof te scheiden van de niet nuttige elementen. Vervolgens moet er een veilige opslagmethode gevonden worden voor de overgebleven niet nuttige elementen. NRG doet onderzoek naar methoden om gebruikte splijtstof op te lossen, waardoor de scheiding tussen nuttige en niet nuttige elementen mogelijk is.