Några år sedan, flera kärnreaktorer i USA stod inför risken för oförutsedda avstängningar i kölvattnet av katastrofen vid det japanska kraftverket Fukushima Daiichi. Olyckan 2011 föranledde en världsomspännande granskning av kärnkraftssäkerhet - särskilt när det gäller kokvattenreaktorer, eller BWR.

I USA., där BWR utgör nästan en tredjedel av reaktorerna, regulatorer övervägde nya säkerhetsförbättringar för att undvika ett annat scenario som Fukushima, där en jordbävning och tsunami berörde en rad bränslefel som resulterade i radioaktiva läckor. Men för BWR-operatörer, några av de nya framtida kraven skulle ha inneburit stängning av flera reaktorer och enorma kostnader för de andra anläggningarna att fortsätta vara i drift.

Så småningom, en tredje väg dök upp, informeras av forskning utförd vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory. Data från år av tester vid Argonne stödde ett tillvägagångssätt som både kunde bevara säkerheten och undvika förödande 1 miljard dollar i utgifter för anläggningsoperatörer.

Framför säkerhetskurvan

Kärnreaktorer är skyddade av en stålklädd inneslutningsbyggnad armerad med betong både invändigt och utvändigt. Vid en olycka, utmaningen är att förhindra korium – det lavaliknande material som bildas när uranbränslestavar i reaktorhärden smälter, tillsammans med deras skyddande metallbeklädnad – från att komma in i miljön om koriumet flyr ut från reaktorkärlet och eroderar betonggolvet under. Vid Fukushima Daiichi-fabrikerna, denna typ av händelse tros ha bidragit till att mycket radioaktivt material som förorenat närliggande jord och läckt ut i Stilla havet har läckt ut.

Kärnkraftverksoperatörer behövde ett sätt att säkerställa att radioaktiva utsläpp skulle minimeras för att skydda människor och miljö i händelse av en olycka. Ett alternativ var att installera stora filter på ventilerna för dessa anläggningar, en lösning som är så kostsam – upp till 50 miljoner dollar per anläggning – att en nedläggning av anläggningen i vissa fall skulle ha varit mer praktisk.

Som ett branschteam känt som BWR Owners Group undersökte hur man skulle ta itu med dessa problem, de lärde sig om forskning som hade pågått i Argonne i decennier. Personal på laboratoriet, som har en lång historia av kärnenergivetenskap, stödde också DOE i deras svar på olyckorna vid Daiichi.

Experiment leder vägen framåt

Som ett svar på den partiella härdsmältan 1979 vid Pennsylvanias Three Mile Island kraftverk, Argonne-forskare hade simulerat processen för en reaktorhärdssmältning. De studerade hur det resulterande koriumet interagerar med betong, och hur den interaktionen kan stoppas genom översvämning med vatten. Experimenten var några av de största i sitt slag i världen, och kärnenergiföretag samsponsrade dem för att stödja säkerhetsförbättringar vid deras anläggningar.

"Vi avslutade i princip det här arbetet, och sedan hände olyckorna vid Fukushima Daiichi, " sa Argonne kärnkraftsingenjör Mitch Farmer, som har lett allvarliga olycksanalyser och experiment på labbet sedan 1988. "Vid den tidpunkten, Det fanns ett förnyat intresse för det arbete vi utförde – särskilt hur det kunde stödja branschens ansträngningar att möta de nya regulatoriska kraven."

U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC) ville att BWR-operatörer skulle säkerställa att radioaktiva utsläpp från en anläggning under en allvarlig olycka kunde undvikas eller göras så låga som möjligt.

Men Argonnes forskning hade visat att om corium skulle vandra utanför reaktorkärlet, det kunde effektivt kylas genom att injicera vatten genom kärlet samtidigt som radioaktivt material hölls inne i inneslutningsbyggnaden – ett tillvägagångssätt som inte skulle kräva ny utrustning eller modifieringar av anläggningarna.

Forskningen hjälpte också till att fastställa parametrar för att bestämma när corium hade svalnat tillräckligt, en annan viktig del för att förhindra förvirring som kan ses bland anläggningsoperatörer i Fukushima.

"Precis lika viktigt som att kyla koriumskräp är att kunna känna igen att du har stabiliserat det, sa Bill Williamson, en reaktoringenjörsspecialist vid Tennessee Valley Authoritys Browns Ferry-anläggning i Alabama som också är ordförande för nödprocedurer för BWR Owners Group. "Argonnes forskning hjälpte oss att förstå vad vi borde leta efter och vad vi borde förvänta oss."

Genombrottet på 1 miljard dollar

Förmågan att informera säkerhetsstrategin med en bättre förståelse för koriuminteraktioner var ett viktigt genombrott för både industrin och landet, med tanke på att kärnkraftverk levererar ungefär en femtedel av USA:s el utan att producera utsläpp av växthusgaser.

Kärnenergiinstitutet, en branschorganisation, krediterade Argonne-forskare med att spara BWR:s totala flotta mer än 1 miljard dollar i potentiella modifieringskostnader.

"Teamet på Argonne hjälpte till att förhindra att flera BWR-reaktorer stängdes av, sa Phillip Ellison, en projektledare med BWR Owner's Group (som leds av General Electric-Hitachi). "Vi kunde identifiera en strategi som fungerade för både operatörer och regulatorer, och arbetet från Argonne var avgörande för det."

Arbetet inom detta område i Argonne har historiskt sett fått stöd av NRC, Electric Power Research Institute (EPRI), och amerikanska anläggningsoperatörer, såväl som internationella partners. Efter olyckorna vid Daiichi, det tekniska stödet som Argonne kunde leverera till industrin för att hantera förändrade regulatoriska krav gavs genom Light Water Reactor Sustainability-programmet inom DOE:s kontor för kärnenergi. Forskning inom detta område fortsätter att bedrivas i Argonne under stöd från NRC, EPRI, och internationella partners för att ytterligare informera anläggningsoperatörerna om de bästa åtgärderna som bör vidtas under en allvarlig olycka.