Eksotermiset kemialliset reaktiot ydinreaktoreissa

Neljännen sukupolven reaktoreissa käytetään uusia teknisiä ratkaisuja ja uudenlaisia materiaaleja, joten myös niiden turvallisuuskriteerien laatimiseen tarvitaan uusia näkökulmia. Tällä hetkellä kehitetäänkin teknologianeutraaleja turvallisuuskriteerejä, joista voitaisiin johtaa jokaiselle uudelle reaktorikonseptille reaktorin erityispiirteet huomioivat teknologiaspesifit turvallisuuskriteerit. Näin pystytään takaamaan turvallisuuden korkea taso kaikissa uusissa reaktoreissa. Eksotermiset eli lämpöä vapauttavat kemialliset reaktiot muodostavat merkittävän uhan ydinvoimalaitosten turvallisuudelle. Tutkimalla nykyisin käytössä olevia turvallisuuskriteerejä sekä kehitteillä olevia teknologianeutraaleja turvallisuuskriteerejä voitiin havaita, että eksotermiset kemialliset reaktiot on niissä huomioitu hyvin, mutta ei kovin systemaattisesti. Tämän tutkielman tavoitteena oli pohtia, kuinka eksotermiset kemialliset reaktiot voitaisiin huomioida systemaattisemmin teknologianeutraaleissa turvallisuuskriteereissä. Johtopäätöksenä on, että epätoivottujen eksotermisten kemiallisten reaktioiden tapahtuminen tulisi ensisijaisesti pyrkiä estämään, mutta jos tällainen reaktio kuitenkin tapahtuu, tulisi sen seurauksia lieventää. Eksotermisten kemiallisten reaktioiden tapahtuminen pystytään estämään, jos eksotermisesti reagoivia aineita ei ole tai ne pystytään pitämään erillään toisistaan, tai jos lämpötilat saadaan pidettyä riittävän alhaisina. Tutkielman toisena tavoitteena oli tarkastella onnettomuusskenaarioita, jotka voisivat johtaa eksotermisiin kemiallisiin reaktioihin erityisesti neljännen sukupolven reaktoreissa. Tätä varten tutkitaan kirjallisuuden avulla joidenkin reaktorimateriaalien kemiallisia ominaisuuksia sekä muutamia neljännen sukupolven reaktoreja. Kirjallisuuden avulla tarkastellaan myös muutamaa sellaista ydinvoimalaitosonnettomuutta, joissa eksotermiset kemialliset reaktiot ovat olleet merkittävässä roolissa.

New materials and technological solutions are been used in the design of Generation IV reactors. Also designing safety criteria for these reactors needs new ideas. Hence new technology neutral safety criteria are being created. These general safety criteria would be used when developing technology specific safety criteria for all kinds of nuclear reactors. Thus high safety level in all new reactors can be guaranteed. Exothermic chemical reactions can't be neglected when considering the safety of the nuclear reactors. Naturally, they are already taken into account in the safety criteria used today, and in the proposed technology neutral safety criteria, but not systematically. The aim of this thesis was to consider how exothermic chemical reactions could be systematically taken into consideration when developing technology neutral safety criteria. It was found out that the main principle should be preventing unwanted exothermic chemical reactions. If nevertheless an exothermic chemical reaction occurs, its consequences should be minimized. Additionally, exothermic chemical reactions can be prevented if there are no exothermally reacting materials, or if those materials can be kept apart. Another way of preventing exothermic chemical reactions is to keep temperatures sufficiently low. Another aim of this thesis was to study accident scenarios leading to exothermic chemical reactions, especially in Generation IV reactors. For this purpose a literature search was carried out for a couple of Generation IV reactors and for the chemical properties of some of the reactor materials. A literature search was also made for a couple of nuclear accidents in which exothermic chemical reactions had an important role.