Au cours d'un projet de recherche et développement dirigé par un laboratoire de trois ans, une équipe de scientifiques a découvert et breveté un procédé d'injection de minéraux de type sable dans le cœur d'un réacteur nucléaire lors d'un accident afin de contenir et de ralentir la progression d'une fusion.

Sandia a développé des modèles informatiques et des logiciels (connus sous le nom de MELCOR) qui montrent comment le corium, un mélange hautement radioactif de type lave de combustible nucléaire, produits de fission, barres de commande, matériaux de structure et autres composants, fond à travers un réacteur nucléaire et se propage lors d'une fusion.

« Lors d'un grave accident de réacteur, la cuve qui contenait le combustible fond et se rompt, et puis tout ce truc tombe sur le sol de confinement et commence à se répandre, ", a déclaré l'ingénieur nucléaire de Sandia, David Louie.

Les accidents de réacteur nucléaire sont rares, mais quand ils arrivent, les conséquences peuvent être dévastatrices pour les gens, l'environnement et la confiance du public dans la sûreté de l'énergie nucléaire, dit Louie.

En tant que laboratoire national, Sandia étudie tous les aspects de l'énergie nucléaire, de la production au transport et stockage des déchets, et veille à ce que la sécurité soit intégrée à chaque étape. Cela inclut l'utilisation de logiciels tels que MELCOR pour modéliser les accidents catastrophiques afin de comprendre pourquoi ils se produisent et d'étudier comment différents scénarios modifient le résultat.

Quand le corium se répand, il peut augmenter le rejet de matières radioactives dans l'environnement de deux manières, dit Louie. Il peut fondre à travers le sol du bâtiment et s'infiltrer dans le sol et il réagit chimiquement avec les matériaux qu'il touche. Par exemple, lorsque le corium réagit avec le béton, il peut créer de l'hydrogène gazeux, ce qui peut conduire à une éventuelle explosion.

Dans les accidents réels de fusion de réacteurs nucléaires et dans les scénarios modélisés, l'approche traditionnelle a été d'utiliser de l'eau pour essayer de refroidir le corium, mais ce processus n'a pas fonctionné assez rapidement pour empêcher la progression de l'accident et la propagation de la contamination.

"Finalement, le corium cesse de se répandre car l'eau va le refroidir, " a déclaré Louie. " Mais vous ne voulez pas que l'accident s'aggrave pendant que vous travaillez pour apporter de l'eau. L'eau fournit également une source d'hydrogène explosif. "

Ne mange pas ce gâteau - "levain" de la lave radioactive pour qu'elle refroidisse, le contenir

Louie, Yifeng Wang, Jessica Kruichak et d'autres membres de l'équipe ont étudié et testé des minéraux carbonatés naturels, comme la calcite et la dolomie, pour déterminer s'ils pouvaient aider à contenir le corium et empêcher l'escalade d'un accident de réacteur. La première étape consistait en une petite expérience sur paillasse utilisant des grammes de poudre d'oxyde de plomb fondue pour simuler le corium. Les chercheurs ont chauffé l'oxyde de plomb à 1, 000 C (1, 832 F) puis versé le matériau fondu sur de la calcite granulaire. En tant que contrôle, ils ont répété le test avec du sable (dioxyde de silicium granulaire) au lieu de calcite.

"Nous avons vu que les minéraux carbonatés injectables fonctionnaient, " a déclaré Louie. " Il a réagi chimiquement pour produire beaucoup de dioxyde de carbone, qui a « fait lever » l'oxyde de plomb en une belle structure en forme de gâteau. La réaction elle-même a eu un effet de refroidissement, et tous les pores du « gâteau » permettent un refroidissement supplémentaire. »

Lorsque du sable a été utilisé dans le test de contrôle, rien ne s'est passé, comme les chercheurs s'y attendaient.

L'équipe est ensuite passée à une expérience à plus grande échelle d'un kilogramme utilisant davantage d'oxyde de plomb et de calcite granulaire. Ils ont également répété l'expérience de contrôle du sable à plus grande échelle. Les résultats ont continué à montrer que les carbonates granulés injectables pourraient être une solution prometteuse pour empêcher la propagation du corium, dit Louie.

Au cours de la dernière année du projet, Louie, Wang, Alec Kucala, Rekha Rao et Kyle Ross ont traduit les résultats des expériences dans MELCOR et ont construit une séquence d'accidents pour modéliser comment les minéraux injectables affecteraient un accident de réacteur nucléaire, similaire à l'accident de Fukushima Daiichi au Japon.

L'équipe a un brevet non provisoire en cours pour les matériaux injectables et espère réaliser à l'avenir des expériences plus importantes utilisant de l'uranium appauvri, dit Louie.

"Après ça, nous serions prêts à commercialiser la technologie, ", a déclaré Louie. "Ces matériaux pourraient être installés dans n'importe quelle conception de réacteur nucléaire existante."