Durante un progetto triennale di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio, un team di scienziati ha scoperto e brevettato un processo per iniettare minerali simili alla sabbia nel nucleo di un reattore nucleare durante un incidente per contenere e rallentare la progressione di una fusione.

Sandia ha sviluppato modelli informatici e software (noti come MELCOR) che mostrano come il corium, una miscela altamente radioattiva simile alla lava di combustibile nucleare, prodotti di fissione, barre di controllo, materiali strutturali e altri componenti, si scioglie attraverso un reattore nucleare e si diffonde durante una fusione.

"Durante un grave incidente al reattore, il recipiente che conteneva il carburante si scioglie e si rompe, e poi tutta quella roba cade sul pavimento di contenimento e inizia a diffondersi, " Ha detto l'ingegnere nucleare di Sandia David Louie.

Gli incidenti ai reattori nucleari sono rari, ma quando accadono, le conseguenze possono essere devastanti per le persone, l'ambiente e la fiducia dei cittadini nella sicurezza dell'energia nucleare, ha detto Luigi.

Come laboratorio nazionale, Sandia ricerca tutti gli aspetti dell'energia nucleare, dalla produzione al trasporto e stoccaggio dei rifiuti, e lavora per garantire che la sicurezza sia integrata in ogni fase. Ciò include l'utilizzo di software per computer come MELCOR per modellare incidenti catastrofici per capire perché accadono e studiare come diversi scenari cambiano il risultato.

Quando il corium si diffonde, può intensificare il rilascio di materiale radioattivo nell'ambiente in due modi, ha detto Luigi. Può sciogliersi attraverso il pavimento dell'edificio e penetrare nel terreno e reagisce chimicamente con i materiali con cui viene a contatto. Per esempio, quando il corium reagisce con il calcestruzzo può creare gas idrogeno, che può portare a una possibile esplosione.

Negli incidenti reali di fusione dei reattori nucleari e negli scenari modellati, l'approccio tradizionale è stato quello di utilizzare l'acqua per cercare di raffreddare il corium, ma questo processo non ha funzionato abbastanza velocemente da impedire che l'incidente progredisca e la contaminazione si diffonda.

"Alla fine il corium smette di diffondersi perché l'acqua lo raffredderà, "Ha detto Louie. "Ma non vuoi che l'incidente peggiori mentre stai lavorando per portare l'acqua. L'acqua fornisce anche una fonte di idrogeno esplosivo."

Non mangiare questa torta:la lava radioattiva "lievitante" si raffredda, contenerlo

Luigi, Yifeng Wang, Jessica Kruichak e altri membri del team hanno studiato e testato minerali naturali di carbonato, come calcite e dolomite, per determinare se potrebbero aiutare a contenere il corium e impedire l'escalation di un incidente al reattore. Il primo passo è stato un piccolo esperimento da banco utilizzando grammi di polvere di ossido di piombo fuso per simulare il corium. I ricercatori hanno riscaldato l'ossido di piombo a 1, 000 C (1, 832 F) e poi versato il materiale fuso su calcite granulare. Come controllo, hanno ripetuto il test con sabbia (biossido di silicio granulare) al posto della calcite.

"Abbiamo visto che i minerali carbonati iniettabili funzionano, " Ha detto Louie. "Ha reagito chimicamente per produrre un sacco di anidride carbonica, che ha "lievitato" l'ossido di piombo in una bella struttura simile a una torta. La reazione stessa ha avuto un effetto di raffreddamento, e tutti i pori della "torta" consentono un ulteriore raffreddamento."

Quando è stata utilizzata la sabbia nel test di controllo, non è successo niente, come si aspettavano i ricercatori.

Il team è poi passato a un esperimento su scala più grande di un chilogrammo utilizzando più ossido di piombo e calcite granulare. Hanno anche ripetuto l'esperimento di controllo della sabbia su scala più ampia. I risultati hanno continuato a mostrare che i carbonati granulari iniettabili potrebbero essere una soluzione promettente per prevenire la diffusione del corium, ha detto Luigi.

Durante l'ultimo anno del progetto, Luigi, Wang, Alec Kucala, Rekha Rao e Kyle Ross hanno tradotto i risultati degli esperimenti in MELCOR e hanno costruito una sequenza di incidenti per modellare come i minerali iniettabili avrebbero influenzato un incidente in un reattore nucleare, simile all'incidente di Fukushima Daiichi in Giappone.

Il team ha in corso un brevetto non provvisorio per i materiali iniettabili e spera di eseguire esperimenti più ampi utilizzando l'uranio impoverito in futuro, dice Luigi.

"Dopo di che, saremmo pronti a commercializzare la tecnologia, "Ha detto Louie. "Questi materiali potrebbero essere adattati a qualsiasi progetto di reattore nucleare esistente".