Kina har utvecklat en ny typ av kärnreaktor, en så kallad pebble-bed-reaktor, som kan erbjuda säkrare kärnkraft i framtiden. Denna reaktor är konstruerad för att kunna kyla sig själv, vilket minskar risken för en härdsmälta.
Kylsystem i kärnreaktorer
Befintliga kärnreaktorer kräver olika typer av kylsystem för att fungera. Dessa system kan variera mellan reaktordesigner och kan använda vatten, koldioxid, helium, smälta metaller eller smälta salter som kylmedel. Alla dessa system har dock samma grundläggande funktion: att leda bort överflödig värme från reaktorkärnan.
Vattenkylningssystem är kända för att ge hög effekttäthet, vilket innebär bättre termisk effektivitet. Men de har också nackdelar, som risken för explosion om reaktorn skulle uppleva en härdsmälta. Om vattenpumparna förlorar kraft kan värmen från reaktorbränslestavarna dela upp vattnet i explosiva väte- och syrgasgaser. Detta var en bidragande orsak till Fukushima-kärnkraftsolyckan 2011.
Gaskylda reaktorer har lägre explosionsrisk men tenderar också att ha lägre termisk effektivitet. Oavsett kylsystem krävs mänsklig inblandning för att stänga av reaktorn vid en nödsituation, eftersom kylsystemen ofta är beroende av externa strömkällor.
Speciellt med den nya reaktordesignen
En ny reaktordesign, känd som pebble-bed-reaktor (PBR), kan lösa några av de problem som finns med äldre designer. Dessa reaktorer är "passivt" säkra, vilket innebär att de kan stänga av sig själva vid problem med kylsystemet. Istället för att använda bränslestavar med hög energitäthet använder PBR små bränsle "stenar" med lägre energitäthet i större mängder. Även om de innehåller mindre uran än traditionella bränslestavar, finns det fler av dem och de är omgivna av grafit som modererar neutronaktiviteten i kärnan. Detta hjälper till att bromsa kärnreaktioner och resulterar i mindre värme.
Den lägre energitätheten innebär att överskottsvärme kan spridas ut över stenarna och lättare överföras bort. Tidigare har PBR-reaktorer bara funnits som prototyper i Tyskland och Kina, men Kina har nu byggt en fullskalig högtemperatur-gas-kylmodulreaktor (HTR-PM) i Shandong, som blev kommersiellt operativ i december 2023.
Tester och resultat
För att testa systemet stängde ingenjörer av båda HTR-PM-modulerna när de körde på full effekt.
– För att bekräfta förekomsten av inneboende säkra reaktorer i kommersiell skala, utfördes två naturliga kyltester på reaktormodul #1 den 13 augusti 2023 och reaktormodul #2 den 1 september 2023, skriver forskarna. Under testerna kyldes reaktormodulerna naturligt utan nödkylsystem eller något strömförsörjt kylsystem.
Resultaten, som nyligen publicerats, visar att HTR-PM kylde sig själv och nådde en stabil temperatur inom 35 timmar efter att strömmen stängts av. Att testa en fungerande kärnreaktor genom att ta bort dess kylning är mycket ovanligt. Det är endast på grund av HTR-PM
unika system som detta är möjligt, och även om fler tester behövs för att säkerställa att systemet fungerar korrekt, hoppas man att detta kommer att fungera som modell för framtida reaktorer.
– Sammanfattningsvis bekräftar förlust-av-kylningstesterna den inneboende säkerhetsfunktionen hos världens första demonstrationsanläggning av en HTR-PM, skriver teamet. För att uppfylla klimatförändringsmålen har vi påbörjat nya projekt för att tillhandahålla högtemperaturånga upp till 500°C och elektricitet till petrokemisk industri i Kina.
Studien är publicerad i tidningen Joule.