Institutionen för fysik och astronomi

Bränslediagnostik för kärnbränslen till Generation IV

Peter Andersson
Peter Andersson. Foto: Camilla Thulin.

Projekttitel: Bränslediagnostik för kärnbränslen till Generation IV
Huvudsökande: Peter Andersson, avdelningen för tillämpad kärnfysik
Beviljade medel: 4 900 000 för perioden 2017-2020

Projektbeskrivning

Kärnbränsleutveckling är en verksamhet som tar decennier från start på ritbordet till en färdig kommersiell produkt. Detta riskerar att avsevärt försena utbyggnaden av generation IV reaktorer, då dessa revolutionära koncept innebär bestrålning av nya bränsletyper i nya kemiska miljöer. I många Generation IV koncept föreslås dessutom en hög utbränning av bränslet i reaktorn. Det medför dock stor påverkan på bränslets egenskaper, till exempel på grund av infiltration av fissionsgaser, migrering av volatila klyvningsprodukter, och på grund svällning orsakad av stråling. Därför kommer bränslematerial som utformas för bruk i Generation IV att behöva betydande experimentella kampanjer med bestrålning av bränslen och höljesmaterial i materialtestreaktorer.

Detta projekt syftar till att väsentligt påskynda erfarenhetsinhämtning och datagenerering vid materialtestreaktorer genom att öka kapaciteten för ickeförstörande mätteknik för bestrålade bränslen. Detta kommer att åstadkommas genom utveckling av gammaemissionstomografi (GET), som är en ny teknik för kärnbränslediagnostik. Resultatet från en mätning är tvärsnittsbilder av valda radionukliders distribution i bränslet. 

En styrka med GET är att det kan utföras nära eller inne i reaktorn, och bränslet kan återföras till härden för ytterligare bestrålning efter utfört test. Detta gör att mycket mer data erhålls för varje bestrålat bränsle än om varje uttömmande undersökning av bränslet kräver att det förstörs. Därigenom kan man snabbare uppnå högre utbränningar, och man kan studera dynamiska förlopp som successivt förändrar bränslets egenskaper genom att följa det under en längre tid, istället för att bara få reda på slutresultatet.

Den viktigaste utvecklingspotentialen av betydelse för en påskyndad utveckling av Generation IV-bränslen med hjälp av GET, är en förbättring av rumsupplösningen. Samtidigt måste det åstadkommas utan att allvarligt förlänga mättiden bortom praktisk tillämpbarhet. Därför kommer detektorkoncept att undersökas med Monte-Carlo metoder (simulering) och det lämpligaste alternativet, baserat på en avvägning mellan upplösning och effektivitet, kommer att konstrueras. Målet är att uppnå en upplösning bättre än 100 μm, vilket är en förbättring på över en storleksordning i prestanda. Teknikens kommer att demonstreras experimentellt på kärnbränsle i Haldenreaktorn.

Den avsevärda ökning i datagenerering på kärnbränslen som möjliggörs med detta projekt kommer ha stor användbarhet för utredningar på Generation IV bränslen. Den möjliggör bättre kunskap om bland annat migrering av fissionsprodukter, fissionsgasavgivning, strålningsinducerad svällning, bränsleböjning, utveckling av sprickmönster och bränslefragmentering vid transienta förlopp. Detta är viktiga fenomen för säkerheten i drift, som kommer behöva utforskas inför användandet av nya, revolutionerande reaktorkoncept.