Hem Forskning & Teknik Temasidor Kopparkorrosion Kapseln genom tiderna

Kapseln genom tiderna

Kapseln som det använda kärnbränslet ska förvaras i har under årens lopp genomgått flera förändringar. Många material och utformningar har provats och utvärderats.

I allmänhet är det de regelbundet återkommande säkerhetsanalyser, som SKB genomför, som är drivande för teknikutvecklingen. I säkerhetsanalysen identifieras vilka egenskaper som är viktiga för den långsiktiga säkerheten. Det är sedan en uppgift för teknikutvecklingen att anpassa materialval och utformning.

Det första förvarskonceptet, som utgick från att bränslet skulle direktdeponeras utan upparbetning, var KBS-2. I detta monterades bränsleelementen isär. Den nuvarande förvarsutformningen, KBS-3, baserar sig på att bränsleelementen deponeras hela.

KBS-2 – 1978

illustration1_300pxBränslet demonterades i en inkapslingsstation och bränslestavarna skildes från bränsleelementens metalldelar. På den tiden ville man packa ihop bränslestavarna så mycket som möjligt för att minimera kapselns dimensioner.

Mängden bränsle per kapsel var i samma storleksordning som dagens kapsel. Då liksom nu var den främst begränsad med hänsyn till värmeutvecklingen i kapseln.

Bränslestavarna skulle kapslas in i en korrosionsbeständig behållare av ren koppar med en väggtjocklek på 20 centimeter. Utrymmet mellan bränslestavarna var helt fyllt av smält bly för att öka hållfastheten.

KBS-3 – 1983

I KBS-3 övergav man tanken på att demontera bränsleknippena före inkapsling. Anledningen var dels att hanteringen skulle bli mycket tids- och resurskrävande, dels att det medförde en ökad risk för skador på bränslet.

Dock antog man att BWR-elementens boxar (från kokvattenreaktorer) och PWR-elementens borglasstavar (från tryckvattenreaktorer) skulle avlägsnas. Dessa skulle dock inte kompakteras som i KBS-2 utan i stället gjutas in i betongkokiller och deponeras på cirka 300 meters djup någon kilometer från förvaret för använt kärnbränsle.

illustration2_300pxStudier visade nu att kopparmantelns tjocklek kunde minskas till tio centimeter. Eftersom deponering av hela bränsleelement, i stället för utplockade stavar, krävde större utrymme blev kapselns yttre diameter densamma som i KBS-2.

Säkerhetsanalysen KBS 3 utgick från två olika utformningar av kapseln. I det ena alternativet placerades det använda bränslet i en kapsel där tomrummen fylldes med smält bly, varefter locket svetsades på med elektronstrålesvetsning.

illustration3_300pxI det andra alternativet fylldes kopparkapseln med kopparpulver, varefter locket lades på och allt pressades i en ugn med högt tryck och hög temperatur till en homogen kropp. Processen kallas het isostatisk pressning (HIP). I båda alternativen förutsågs att kapseln skulle tillverkas av syrefri smidd koppar.

SKB 91 – 1991

Referenskapseln i säkerhetsanalysen SKB 91 baserades på den blyfyllda kapseln från analysen KBS-3.

Vissa modifieringar gjordes dock. Det yttre höljet av koppar minskades från tio till sex centimeter och antalet bränsleelement minskades från nio till åtta BWR-element. De yttre dimensionerna bibehölls.

PASS-studien – 1992

År 1992 genomförde SKB projekt ”Alternativstudier för slutförvar (PASS)” där olika deponeringsalternativ och kapselutformningar jämfördes. För deponerings-alternativet enligt KBS-3-metoden studerades tre olika utformningar av kopparkapseln samt två alternativa stålkapslar:

• Koppar/stål-kapsel (kompositkapsel). En kapsel bestående av ett yttre kopparhölje över en inre stålkapsel, som ger konstruktionen mekanisk stabilitet.

• Koppar/bly-kapsel. En kopparkapsel som fyllts med smält bly för att få önskad mekanisk stabilitet. Inkapsling sker vid hög temperatur.

• Kopparkapsel. En solid kopparkapsel som tillverkats genom het isostatisk pressning av kopparpulver (HIP). Inkapsling sker vid hög temperatur.

• Stål/bly-kapsel. En tunnväggig stålkapsel som blyfyllts för att få önskad mekanisk stabilitet och dessutom ytterligare barriärfunktion. Inkapsling sker vid hög temperatur.

• Självbärande stålkapsel.

illustration4_300pxI Pass-studien och Fud-program 92 förordades koppar/stål-kapseln. Ett viktigt skäl var att inkapsling kunde ske utan förhöjd temperatur, vilket minskade risken för bränsleskador.

Den föreslagna kapseln hade en koppartjocklek på fem centimeter. Den kvarstående tomvolymen i en bränslefylld kapsel skulle fyllas med till exempel kvartssand, glaspärlor, borglas eller blyhagel.

SR 95 – 1995

Efter en uppföljning av Pass-studien valdes en ny referensutformning av kapseln för säkerhetsanalysen SR 95. Kapseln bestod av två komponenter – en gjuten insats och ett kopparhölje.

Insatsen ersatte stålcylindern som tryckbärande komponent. Den var gjuten i ett stycke och hade individuella kanaler för bränsleelementen.
Efter en enkel analys bestämdes antalet BWR-element i kapseln till tolv (jämfört med åtta i SKB 91). Detta innebar att kapselns ytterdiameter måste göras större. Tillverkningen av en gjuten insats var enklare och billigare än alternativet med ett stålrör. Samtidigt blev kapseln starkare.
illstration5_300pxI och med att tomrummet inuti kapseln minskade, så minskade också risken för kriticitet (okontrollerad kärnreaktion). Som material för insatsen gavs de två alternativen gjutstål eller gjutjärn.
För BWR-bränsle fanns möjligheten att sätta in bränslet med eller utan boxar. Om boxarna inkluderades fick man en längre och något dyrare kapsel. För att minimera riskerna för hanteringsskador valde man till slut att låta BWR-boxarna sitta kvar.

Fud-program 1998 fram till dagens kapsel

År 1997 genomfördes en studie i syfte att definiera de viktigaste parametrarna som styr kapselns dimensioner och utifrån dessa välja kapselstorlek. Längden av kapseln styrdes av bränsleelementens maximala längd och var därmed bestämd. Diametern kunde dock varieras beroende på antalet bränsleelement i kapseln.

I studien jämfördes fem olika kapselstorlekar, där innehållet varierande mellan åtta och 20 BWR-element. Fler än 20 element bedömdes inte lämpligt, eftersom kapseln då avger för hög effekt.

Kraven på säkerhet både långsiktigt och under drift skulle vara det primära och alltid uppfyllas.

Kapselns utformning skulle styras av ett antal funktionella krav och hur dessa kunde uppfyllas till lägsta kostnad.

En mindre kapsel gav högre kostnader för tillverkning, inkapsling, transport och deponering, eftersom mängden kapslar ökade. Å andra sidan kunde de mindre kapslarna deponeras tätare i Kärnbränsleförvaret, eftersom de avgav lägre värmeeffekt. Detta medförde i sin tur lägre kostnader för uttag av berg och för återfyllningen.

Den sammanlagda kostnaden visade att den minsta kapseln utgjorde det illustration6_200pxdyraste alternativet. Kostnadsskillnaderna mellan de olika alternativen var dock små.

Studien drog slutsatsen att kapseln med tolv BWR-element respektive fyra PWR-element var den optimala utformningen, både med avseende på funktion och kostnad. Nackdelen för den större kapseln var dels att den inte var kriticitetsmässigt verifierad, dels att den gav en sämre flexibilitet vid ändrade termiska förhållanden i slutförvaret.illustration7_200px

Baserat på en sammanställning av konstruktionsförutsättningarna för kapseln specificerades i Fud 98-programmet en referenskapsel mer i detalj. Referenskapseln gavs ett fem centimeter tjockt kopparhölje. Även ett alternativ med tre centimeters hölje presenterades.

Materialet för gjutjärnsinsatsen specificerades till segjärn, en form av gjutjärn. Detta berodde på att det är lättare att gjuta segjärn än gjutstål.

I Fud 98 definierades också kopparkvaliteten med krav på en viss renhet och med en tillsats av fosfor för förbättrad plastisk formbarhet.

Säkerhetsanalysen SR-Can och SR-Site utgick från ovan nämnda referensutformning.