Avancerade material för fjärde generationens kärnreaktorbränsle

Projekttitel: Avancerade material för fjärde generationens kärnreaktorbränsle
Huvudsökande: Sergei Butorin, avdelningen för molekyl- och kondenserade materiens fysik
Beviljade medel: 3 600 000 för perioden 2017–2020
Finansiär: Projektbidrag inom ny kärnteknik från Vetenskapsrådet

Abstract: The goal of the project is to improve scientific knowledge of processes important for optimizing the properties of fuel materials for fourth generation (GEN IV) nuclear reactors. We aim to establish the fundamental physical, chemical and structural properties of such materials to reach a predictive understanding of behavior of Th, U and Pu carbides and (U,Pu) mixed oxides fuels for GEN IV fast neutron reactors. The latter would also include Am. For materials prepared with different procedures, this is planned to be achieved by employing, besides the standard methods of characterization, advanced experimental techniques, such as greatly improved in terms of sensitivity and chemical contrast x-ray spectroscopic methods. The experiments will be supported by first-principle calculations taking into account the features of the f-electron systems.

For simulation of irradiated fuel materials, the properties of nuclear fuel materials with defects will be studied to predict the structural behavior of the fuel. Furthermore, in-situ experiments at high temperatures and controlled atmosphere will be conducted by taking advantage of the newly designed high-temperature cell.

The project will be carried out in collaboration with Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf and CEA (The French Alternative Energies and Atomic Energy Commission), Marcoule, France by taking advantage of their dedicated facilities for actinide research. A new beamline at Swedish synchrotron MAX IV will be also utilized.

Den europeiska energiförbrukningen omfattas för närvarande av olika energikällor, som mineral och fossila bränslen, förnybara energikällor och kärnkraft. Fossil och mineralbränsle (kol, gas, olja) som är de ledande primära energikällorna är ansvariga för betydande koldioxidutsläpp. Kärnkraft kommer på andra plats och producerar 27% av EU:s (EU) elektricitet. Detta visar tydligt att behovet av kärnenergi fortfarande finns kvar. Medan kärnkraft ger fördelar när det gäller minskade koldioxidutsläpp, har den begränsningar när det gäller säkerhet och påverkan av radioaktivt avfall på miljön. Majoriteten av nuvarande kärnkraftverk tillhör familjen lättvattenreaktorer (LWR), en teknik som utvecklades under femtiotalet och sextiotalet av det föregående århundradet. Byte av äldre reaktorer kräver en förnyelse av kärnteknik, en process som för närvarande är pågående. I det här fallet undersöks och utvecklas fjärde generationens (Gen IV) reaktorsystem för närvarande och förväntas kommersiellt utnyttjas från 2030.

Det finns sex prototypreaktorer som anses för närvarande vara Gen IV. Bland dessa prototyper finns den superkritiska vattenkylda reaktorn (SCWR), den natriumkylda snabba reaktorn (SFR), den blykylda snabba reaktorn (LFR) och saltsmältsreaktorn (MSR). Reaktortyperna är designade att utnyttja nya kärnbränslematerial, som uran-toriumfluorider (UF4, ThF4) i MSR, uran och plutoniumkarbid i SFR, blandade uranoxidkarbider (UO2-UC2) i SCWR och urannitrider i LFR. Kunskapen om de fysiska, kemiska och mekaniska egenskaperna hos de riktade Gen IV-bränslematerialen är emellertid begränsad på grund av begränsad hantering av kärnämnena och egenskapsmätningar som endast kan ske i specialiserade, tillkomstbegränsade faciliteter.

Inom ramen för GEN IV-kärnreaktorns utveckling studeras även innovativa bränslecykler. De två huvudsakliga målen för dessa bränslecykler är en effektiv användning av energiresurserna genom att återvinna de viktigaste aktiniderna, såsom U och Pu, och en minskning av avfallets radioaktivitet genom att partitionera och transmutera de mindre aktiniderna, såsom Np, Am eller Cm. Utmaningen är emellertid att införliva de stora mängderna (upp till 5 at.%) av mycket radioaktiv mindre aktinider i det blandade oxidbränslet. Endast en fluorit-typ fast lösning, som vid ren (U,Pu)O2, måste uppnås för slutprodukten. En av de mest oroväckande mindre aktiniderna är Am-241 på grund av dess höga radioaktivitet och betydande mängd. Forskningsinsatser är därför inriktade på denna aktinid och dess utspädning i (U,Pu)O2 för att producera blandade oxider av uran-plutonium-americium som transmutationsmål.

Syftet med projektet är att förbättra den vetenskapliga kunskapen om processer som är viktiga för sintring och inställning av materialets egenskaper för GEN IV-kärnreaktorbränsle. Vi strävar efter att fastställa de grundläggande fysiska, kemiska och strukturella egenskaperna hos sådana material för att nå en förutsägbar förståelse för beteendet av Th, U och Pu karbider och blandade oxider (MOX) i U-Pu-O-systemet som också kommer att inkludera Am. För material framställda med olika förfaranden är detta planerat att uppnås genom att förutom standardmetoderna för karakterisering använda avancerade experimentella tekniker, såsom avsevärt förbättrad när det gäller känslighet och kemisk kontrast röntgen spektroskopiska metoder. Dessa metoder ger detaljerad information om kemiskt tillstånd, homogenitet av föreningar, (icke) stökiometri, kol/metall- och syre/metall-förhållanden, lokal symmetri och miljö, samt laddningsfördelning. Experimenten kommer att stödjas av modellberäkningar med beaktande av egenskaperna i f-elektronsystemen.

För simulering av bestrålade bränslematerial studeras egenskaperna hos kärnbränslematerial med defekter för att förutsäga materialets strukturella beteende. Vidare utförs experiment vid höga temperaturer och kontrollerad atmosfär genom att utnyttja den nyutvecklade högtemperaturcellen.

En del av de experiment som föreslås i förslaget kommer att utföras i Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) och CEA (Commissariat à l'Energie Atomique et aux énergies renouvelables), Marcoule, Frankrike, där det finns specialiserade laboratorier för syntes av kärnämnen och deras karaktärisering genom en mängd olika kemiska och fysiska tekniker. Ett nybyggt strålrör på den svenska synkrotronanläggningen MAX IV kommer också att användas.