Het is bijna tien jaar geleden dat de kernramp in Fukushima schokgolven over de wereld stuurde en een massale verschuiving van kernenergie teweegbracht, die te wijten was aan bezorgdheid over de veiligheid. De reactor is ontworpen om de impact van aardbevingen en tsunami’s, die in Japan altijd als een bedreiging worden beschouwd, te weerstaan, maar toen beide tegelijk toesloegen, slaagden de noodsystemen er niet in een reeks kernsmeltingen en een wijdverbreide radioactieve besmetting te voorkomen.
Sindsdien hebben Japanse wetenschappers de uiteindelijke oorzaak van het stralingslek vastgesteld en hebben ze samen met wetenschappers in de VS en Europa gezocht naar manieren om herhaling in de toekomst te voorkomen. Een Europees team van de Tsjechische Academie van Wetenschappers gelooft dat ze nu een oplossing hebben die in de hele EU octrooibescherming heeft gekregen.
Oorzaak van het stralingsverlies
De kernbrandstof die de reactoren aandrijft, bevindt zich in staven van zirkoniumlegeringen in combinatie met andere metalen. Zirkonium wordt gebruikt dankzij de weerstand tegen extreme temperaturen, die tijdens normaal bedrijf regelmatig oplopen tot 400 graden Celsius, maar die tijdens een ramp zoals die in Fukushima veel hoger kunnen oplopen, waardoor een zogenaamde insmelting in de kern van de reactor ontstaat.
“Het probleem is dat bij deze hoge temperaturen corrosie onvermijdelijk optreedt in [de beschermende nucleaire staven],” legt Irena Kratochvílová, hoofd van het onderzoek aan het Natuurkundig Instituut van de Academie, uit. “En het was precies deze corrosie die ervoor zorgde dat de splijtstofstaven uit elkaar werden gescheurd en dat er radioactieve splijtstof uit de Fukushima reactor lekte.”
Toen de sensoren van de centrale de aardbeving correct detecteerden, schopten de noodsystemen op hun plaats, waardoor het splijtingsproces stopte toen de hoofdstroomsystemen uitvielen. Back-up dieselgeneratoren bleven koelvloeistof circuleren om te voorkomen dat de nucleaire kern oververhit raakte en in een smelting terechtkwam. Deze back-up generatoren werden echter uitgeschakeld door de daaropvolgende Tsunami, waardoor de temperatuur van de kern steeg en de kernsmelting in gang werd gezet.
Wetenschappers geloven dat als de beschermende kernstaven niet waren verzwakt door het normale proces van corrosie, of als ze van een meer veerkrachtige substantie waren gemaakt, de situatie misschien onder controle was gebracht.
Oplossing
Sinds de ramp zijn er een aantal prototype behuizingen voor de brandstofstaven gemaakt, die beloofd hebben om bij hoge temperatuur operationeler te zijn en minder gevoelig voor corrosie. Deze prototypes bevatten sterkere metaallegeringen, maar ook keramische coatings, die net als de keramische tegels die de NASA-shuttles beschermden tegen de extreme hitte die bij het opnieuw binnenkomen in de atmosfeer van de aarde wordt gegenereerd, bestand zijn tegen extreem hoge temperaturen. Elk nieuw prototype presteerde echter niet zoals bedoeld bij het doorlopen van de testprotocollen, waardoor uiteindelijk het soort scheurtjes ontstond waardoor de straling uit de reactor in Fukushima kon lekken.
Het Tsjechische team heeft daarentegen een speciale coating van microscopisch kleine diamanten en zachte koolstof ontwikkeld, die de gecombineerde eigenschappen van hoge sterkte, hoge weerstand tegen hitte, maar ook een niveau van flexibiliteit om scheurvorming te voorkomen, bereikt. Bovendien dringen sporen van koolstof, eenmaal blootgesteld aan hoge temperaturen, door in het zirkonium, wat zorgt voor een extra verdedigingslaag tegen corrosie door water en waterstof.
De bescherming die de coating biedt, niet alleen bij normale temperaturen, maar ook bij een nucleair ongeval, wordt beschreven als “verbazingwekkend”.
Door de corrosie met bijna 90% te verminderen, vermindert de nieuwe uitvinding niet alleen het risico op een ineenstorting tijdens een ramp, maar ook de impact van kernafval op de natuurlijke omgeving. Dit wordt van vitaal belang geacht voor de toekomst van kernenergie, want hoewel kernenergie geen kooldioxide produceert en kan bijdragen aan de strijd tegen de opwarming van de aarde, is de opslag van kernafval al lang een kostbare en potentieel gevaarlijke aangelegenheid.
“Mensen realiseren zich vaak niet,” zei Kratochvílová, “dat de staven met de kernbrandstof meestal niet uit dienst worden genomen omdat de radioactieve brandstof volledig wordt verbruikt, maar vanwege corrosie aan de behuizing van het Zirkonium”.
In de VS en Zuid-Korea zijn er nu ook octrooien aangevraagd en er zijn al onderhandelingen gaande om de technologie door de wereldleiders op het gebied van civiele kernenergie te laten gebruiken. In een andere primeur heeft de hi-tech coating ook nieuwe toepassingen gevonden in de hartchirurgie, en wordt momenteel uitgeprobeerd als coating op coronaire stents, waarvan men hoopt dat het op dezelfde manier corrosie en andere vormen van slijtage voorkomt.
