Under ett treårigt laboratoriestyrt forsknings- och utvecklingsprojekt, ett team av forskare upptäckte och patenterade en process för att injicera sandliknande mineraler i kärnan av en kärnreaktor under en olycka för att begränsa och bromsa utvecklingen av en härdsmälta.

Sandia utvecklade datormodeller och mjukvara (känd som MELCOR) som visar hur corium, en mycket radioaktiv lavaliknande blandning av kärnbränsle, fissionsprodukter, styrstavar, konstruktionsmaterial och andra komponenter, smälter genom en kärnreaktor och sprids under en härdsmälta.

"Under en allvarlig reaktorolycka, kärlet som innehöll bränslet smälter och spricker, och sedan faller allt det där ut på inneslutningsgolvet och börjar spridas, " sade Sandias kärnkraftsingenjör David Louie.

Kärnreaktorolyckor är sällsynta, men när de händer, konsekvenserna kan vara förödande för människor, miljön och allmänhetens förtroende för kärnkraftens säkerhet, sa Louie.

Som ett nationellt labb, Sandia forskar om alla aspekter av kärnenergi, från produktion till avfallstransport och lagring, och arbetar för att säkerställa att säkerheten är inbyggd i varje steg. Detta inkluderar att använda datorprogram som MELCOR för att modellera katastrofala olyckor för att förstå varför de inträffar och studera hur olika scenarier förändrar resultatet.

När corium sprider sig, det kan eskalera utsläppet av radioaktivt material till miljön på två sätt, sa Louie. Den kan smälta genom byggnadens golv och sippra ner i jorden och den reagerar kemiskt med de material den vidrör. Till exempel, när korium reagerar med betong kan det skapa vätgas, vilket kan leda till en eventuell explosion.

I verkliga kärnreaktorsmältningsolyckor och i modellerade scenarier, det traditionella tillvägagångssättet har varit att använda vatten för att försöka kyla ner corium, men denna process har inte fungerat tillräckligt snabbt för att förhindra att olyckan fortskrider och kontamineringen sprids.

"Till slut slutar corium att spridas eftersom vatten kommer att kyla ner det, "Sa Louie. "Men du vill inte att olyckan ska bli värre och värre medan du arbetar för att få in vatten. Vattnet är också en källa till explosivt väte."

Ät inte den här kakan – låt radioaktiv lava svalna, innehålla det

Louie, Yifeng Wang, Jessica Kruichak och andra teammedlemmar studerade och testade naturliga karbonatmineraler, som kalcit och dolomit, för att avgöra om de kan hjälpa till att innehålla corium och förhindra att en reaktorolycka eskalerar. Det första steget var ett litet bänkexperiment med hjälp av gram smält blyoxidpulver för att simulera korium. Forskarna värmde blyoxiden till 1, 000 C (1, 832 F) och hällde sedan det smälta materialet över granulär kalcit. Som en kontroll, de upprepade testet med sand (granulär kiseldioxid) istället för kalcit.

"Vi såg att de injicerbara karbonatmineralerna fungerar, Louie sa. "Den reagerade kemiskt för att producera mycket koldioxid, som "jäst" blyoxiden till en fin kakliknande struktur. Reaktionen i sig hade en kylande effekt, och alla porer i "kakan" tillåter ytterligare kylning."

När sand användes i kontrolltestet, inget hände, som forskarna förväntade sig.

Teamet gick sedan vidare till ett experiment i större kilogram med mer blyoxid och granulär kalcit. De upprepade också sandkontrollexperimentet i större skala. Resultaten fortsatte att visa att injicerbara granulära karbonater kunde vara en lovande lösning för att förhindra spridning av korium, sa Louie.

Under projektets sista år, Louie, Wang, Alec Kucala, Rekha Rao och Kyle Ross översatte resultaten av experimenten till MELCOR och byggde en olyckssekvens för att modellera hur injicerbara mineraler skulle påverka en kärnreaktorolycka, liknande Fukushima Daiichi-olyckan i Japan.

Teamet har ett icke-provisoriskt patent på gång för de injicerbara materialen och hoppas kunna utföra större experiment med utarmat uran i framtiden, säger Louie.

"Efter det, vi skulle vara redo att kommersialisera tekniken, "Sade Louie. "Dessa material skulle kunna eftermonteras i vilken befintlig kärnreaktor som helst."