Använt kärnbränsle måste transporteras säkert från kraftverken där det genereras till mellanlagringsplatser och så småningom till en permanent geologisk slutförvaringsplats.

I slutet av förra året, Sandia-forskare avslutade en åtta månader, 14, 500 mil triathlon-liknande test för att samla in data om gupp och stötar som använt kärnbränsle under transport. Data från detta test skulle kunna användas för att demonstrera säker transport av använt kärnbränsle.

Kärnkraft levererar nästan 20 procent av USA:s elektricitet och är den ledande koldioxidneutrala kraftkällan. Dock, den producerar mellan 2, 200 och 2, 600 ton använt bränsle i USA varje år. Bränslestavar blir spröda och mycket radioaktiva när de driver kärnreaktorn, gör säker transport viktig.

En behållare för transport och lagring av kärnavfall färsk från löpande bandet laddades med tre surrogatbränslestavar från USA, Spanien och Sydkorea och sedan reste från Spanien till Colorado och tillbaka igen med lastbil, fartyg och tåg. Zirkoniumlegeringsrör fyllda med blyrep, blypellets eller molybdenpellets imiterade uranoxidpellets inuti en använt kärnbränslestav.

"Alla våra preliminära data tyder på att sannolikheten för att en bränslestav går sönder under rutinmässig hantering och transport är låg. Detta test är mer realistiskt än tidigare tester och kan resultera i en mer tillförlitlig kvantifiering av transportriskerna, sa Sylvia Saltzstein, chef för transportprojekten.

Sandia samarbetade i triathlon med Equipos Nucleares S.A. (ENSA), den spanska fatdesignern och tillverkaren, och Empresa Nacional de Residuos Radiactivos S.A. (ENRESA), det företag som ansvarar för hanteringen av kärnavfall i Spanien. Korea Radioactive Waste Agency (KORAD), Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI), och Pacific Northwest och Argonne nationella laboratorier deltog också i triathlon.

Ett galler med nästan 300 stavar utgör en bränslepatron, och fatet som används i testet rymmer 32 enheter i en specialdesignad korg. De skenbara bränslestavarna i de tre enheterna var utrustade med små accelerometrar och töjningsmätare innan de gick in i fatet. Fatet och korgen var på samma sätt utrustade.

Accelerometrarna och töjningsmätarna mätte varje bula, skramla och skaka skenbränslet som upplevdes under resan, ger data som kan användas för att kvantifiera säkerhetsmarginalerna för att transportera använt kärnbränsle.

Tidigare tester efterliknar transportvibrationer för att ungefärliga spänningar

Även om Sandia grundligt har testat robustheten hos kärnavfallstankar under årtionden av simulerade katastrofala transportolyckor, en annan utmaning är stressen från vardagliga transporter på bränslestavarna inuti fatet. Saltzstein och hennes kollegor hoppas att upprepade knuffar inte leder till att en bränslestav går sönder, som att böja en läskburk en för många gånger.

Triathlon är faktiskt Sandias fjärde test för att mäta rutinmässiga transportbelastningar.

Den första använde ett stort skakbord för att testa Sandias sensorbeklädda skenbränslepatron, med blyrep i zirkoniumlegeringsrör för att efterlikna vikten av uranpellets. Ett shakerbord är just det, ett bord som vibrerar upp och ner på ett kontrollerat sätt. Forskarna programmerade bordet för att återskapa stötarna och vibrationerna från att resa med lastbil och mätte belastningen av bränslestavarna. Även om ett rimligt första test, bordet gick bara upp och ner, så det behövdes fler tester.

Det andra testet placerade samma enhet på en lastbilssläp lastad med 50, 000 pund betong, samma som ett transportfat, och tog den på en 38 mil lång resa på motorvägar, stadsgator och grusvägar. Detta test visade liknande, väldigt låg, nivåer av påfrestningar på skenbränslet. Dock, eftersom använt kärnbränsle mestadels kommer att resa med tåg, det tredje testet tittade på stötarna och vibrationerna som upplevdes när man åkte på rälsen.

Sandia-forskare tog chock- och vibrationsdata från Association of American Railroads för att sätta upp ett shakerbord som kunde röra sig i sex riktningar istället för bara upp och ner, simulera belastningen och accelerationen av tågresor. De ersatte även blyrepet i några av stavarna med bly- och molybdenpellets för en bättre approximation av använt bränsle. Detta test stämde överens med två tidigare tester:Spänningarna från normala transporter är cirka 100 gånger lägre än de spänningar som är kända för att skada kärnbränslestavar.

De tre testerna gav Sandia-forskare förtroende, men de behövde ett ännu mer realistiskt test. För triathlon, de flyttade en behållare för använt bränsle som tillhandahållits av en spansk partner, men mycket lik de som används i USA, från ett transportsätt till ett annat för att få data närmare verkliga förhållanden.

Triathlon startade i norra Spanien, där fatet färdades med tunga lastbilar i cirka 250 mil genom huvudvägar och motorvägar. Efter ett uppehåll för att ladda ner data från sensorerna, fatet överfördes till en pråm, som gick längs Frankrikes kust till Belgien, seglar mer än 1, 000 mil under fyra dagar. Efter ett uppehåll i Belgien, fatet överfördes till ett lastfartyg. Sedan korsade fartyget Atlanten till Baltimore - nästan 4, 000 mil — genom ibland grov sjö. Detta tog två veckor.

I Baltimore, fatet överfördes till en dedikerad flakvagn och reste västerut cirka 2, 000 miles genom 12 stater, som tog sju dagar. Sedan, i samarbete med Association of American Railroads, fatet och bränslepatronerna testades på Transportation Technology Center Inc.s anläggning nära Pueblo, Colorado. Centret har nästan 50 mil testbana, tillåter sådana kontrollerade scenarier som att sammanfoga två järnvägsvagnar eller mullrande över en spårkorsning. Efter dessa prövningar, fatet med sina sensorer vände kurs och återvände till Spanien.

Förutom de logistiska utmaningarna, den största tekniska utmaningen var att bygga ett datainsamlingssystem som kunde samla in all stöt- och vibrationsdata robust och oövervakad, sa Paul McConnell, projektledare för testerna. En Sandia-entreprenör, Bill Uncapher, designade systemet och Sandia-teknologer, Carissa Gray och Wes Chilton, byggde systemet.

Rälsfattestet genererade cirka 8 terabyte av stöt- och vibrationsdata. Saltzstein förväntar sig att hela analysen kommer att ta nästan ett år. Data från testet kommer också att användas för att validera datormodeller av de påfrestningar som använt bränsle upplever under normala transporter.

"Preliminära resultat visar mycket låga stöt- och vibrationsnivåer, som vi kommer att jämföra med de mekaniska egenskaperna hos bränsle som kommer ut ur en kärnkraftsreaktor, " sa McConnell. "I slutändan, vi vill förstå om bränslet kan motstå ansamling av stötar och vibrationer under resan som potentiellt kan få en bränslestav att gå sönder."