Core physics, diagnostics and instrumentation for enhanced safety of the sodium cooled fast reactor ASTRID

Härdfysik, diagnostik och instrumentation för förstärkt säkerhet i den natriumkylda snabbreaktorn ASTRID Långsiktig energiutvinning med kärnteknik kräver lösning till de frågor som diskuteras i samband med dagens reaktorer, såsom (i) effektivt utnyttjande av naturresurser, d.v.s. av de grundämnen som kan användas i fissionsreaktorer, så att de räcker under hundratusentals år; (ii) säker drift med i praktiken ingen risk för härdsmälta och påföljande utsläpp av radioaktiva ämnen; (iii) en långsiktig lösning av avfallsfrågan, inklusive möjligheten att minska mängden redan befintligt kärnavfall; (iv) ekonomisk konkurrenskraft; och slutligen (v) säkerhet mot kärnämnesspridning. Att uppnå dessa mål kräver en helt ny generation av reaktorer, vars konstruktionsprinciper är påtagligt annorlunda jämfört med dagens s.k. Generation II eller III reaktorer. Dessa nya reaktorer betecknas som Gen-IV. Världens första Gen-IV reaktor blir en natriumkyld snabbreaktor, ASTRID (Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration), vilken Frankrike planerar att bygga till 2010. Genom ett samarbetsavtal mellan Frankrike och Sverige kommer svenska forskare att delta i studier av reaktorns utformning, egenskaper och prestanda och på det sättet bidra till optimal design av härden och dess instrumentering. Det planerade projektet berör den andra frågeställningen ovan; hur man vinnlägger sig om säker drift med minimal risk för utsläpp till omgivningen, och innefattar fördjupningar inom härdfysik och diagnostik av ASTRID. Forskningen inom detta område bidrar till att höja säkerheten vid ASTRID genom design av härden och av dess instrumentering och de analysmetoder som tillämpas. Ett av de områden som skall behandlas gäller effektiv design av de styrstavar som behövs både för styrning av effekten och för att stoppa reaktorn vid behov. Styrstavarnas relativa effektivitet är mindre i en snabbreaktor än i en traditionell reaktor, varför noggranna studier krävs för att avgöra dessas utformning och positionering i härden för att uppnå maximal effekt. Dessutom skall konsekvenserna av styrstavsdragning analyseras i termer av reaktor- och driftsäkerhet i detta projekt. När reaktorn är i drift kan olika typer av oförutsedda störningar förekomma, varför ASTRID, i likhet med dagens reaktorer, kontinuerligt skall övervakas så att man upptäcker och åtgärdar eventuella begynnande anomalier i ett tidigt stadium. Inom projektet kommer nya detektorer samt detekterings- och analysmetoder utvecklas specifikt för förhållandena i ASTRID, med snabbt neutronspektrum och flytande natrium som kylmedel, samt för de fenomen som skall övervakas, såsom ång- eller bubbelbildning i kylmediet eller vibrationer eller böjning av bränsleelement i härden. Neutronernas rums, tids och energifördelning kommer att mätas genom såkallade fissionskammare, som utnyttjar fissionsreaktionen inne i detektorn för detektering av neutroner. Genom att välja lämpliga isotoper som detektormaterial kan detektorsystem utvecklas som är känsliga för ändringar i neutronenergin, och införlivandet av gammadetektorer kan bidra med kompletterade information. Dessutom planeras analys av neutronflödenas variationer i tid, neutronbruset, att utgöra en viktig del av den förstärkta övervakningskapaciteten i ASTRID. För att kunna använda sådana analyssystem optimalt i en natriumkyld snabbreaktor krävs vidareutveckling av vår förståelse för de statistiska egenskaperna hos signalerna från neutroner och fissionsprodukter i detektorn, samt av modellerna för att karakterisera dessa. Forskningen skall leda till ett detektorsystem som, till skillnad från dagens detektorer, kan användas vid såväl hög som låg reaktoreffekt och som innehar en diagnostikfunktion även för detektorn själv. Ytterligare en viktig säkerhetsrelaterad uppgift för övervakningssystemen i ASTRID är att upptäcka eventuella mikroskopiska läckage p.g.a. små sprickbildningar i värmeväxlaren, där vatten och natrium kan komma i kontakt med varandra. Nyutvecklade metoder för mätning och analys av ljudsignaler som alstras av den påföljande kemiska reaktionen kan utgöra en viktig funktion för att upptäcka och lokalisera sådana fall och därmed kunna ta åtgärder innan sådan eventuell sprickbildning kan orsaka en allvarligare händelse i reaktorn. Alla dessa ovannämnda diagnostiksystem använder avancerade detekterings- och signalanalysmetoder, och kommer att utgöra en viktig del av reaktorns driftsäkerhet.

Participants

Imre Pazsit (contact)

Professor vid Nuclear Engineering

Zsolt Elter

Forskare vid Nuclear Engineering

Collaborations

Royal Institute of Technology (KTH)

Stockholm, Sweden

The French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA)

Grenoble Cedex 09, France

Uppsala University

Uppsala, Sweden

Funding

Swedish Research Council (VR)

Funding Chalmers participation during 2012–2016

Related Areas of Advance and Infrastructure

Sustainable development

Driving Forces

Energy

Areas of Advance

More information

Latest update

2015-11-10