Poddavsnitt 21: Härdsmälta, kärnkraftens akilleshäl - om forskning kring svåra haverier

– Vi är högt motiverade att minska risken för stora konsekvenser i samband med ett svårt haveri på ett kärnkraftverk, speciellt för reaktorer av svensk design.

Det säger Sevostian Bechta, professor på avdelningen för kärnkraftssäkerhet vid fysik institutionen på Kungliga tekniska högskolan, KTH, i Stockholm. Sevostian och hans grupp studerar vad som händer i detalj vid en härdsmälta i en reaktor. Forskning som finansieras av Strålsäkerhetsmyndigheten.

Vi befinner oss i ett laboratorium på KTH som ser ut lite som en verkstad. Massor av teknisk utrustning, dataskärmar och rör längs väggarna. Men det som ögonen landar på är en grå betongbunker som står mitt i rummet. Det är härinne som en del av försöken som Sevostian Bechta och hans grupp ägnar sig åt äger rum. Betongrummet kan närmast liknas vid den inneslutning som finns runt en reaktortank i ett kärnkraftverk.

– Idén med den här inneslutningen är i princip den samma som inneslutningen för en kärnkraftsreaktor även om formen och storleken skiljer sig, den här är ju mycket mindre. Vi gör alla farliga försök inuti den här inneslutningen. Om det stänker ut material vid experimenten eller om det uppstår ångexplosioner så kan vi stå utanför och observera utan någon risk. Inneslutningen tål ett högt tryck, hela 6,5 bar, säger Sevostian.

Forskningen här handlar alltså om att studera vad som händer när kärnbränsle smälter, något som händer om kylningen av härden i reaktortanken uteblir, det som kallas för härdsmälta. Men de använder inte kärnbränsle vid de här försöken utan andra blandningar av oxider och metaller som inte är radioaktiva.

– Det är helt enkelt inte möjligt för ett universitet som ligger mitt i stan att använda riktigt kärnbränsle och det kräver dessutom speciella tillstånd.

Men vad är det då konkret som de studerar? Sevostian berättar att det enkelt utryckt handlar om hur en smälta inne i reaktortanken beter sig, hur smältan tar sig igenom tanken och vad som händer när den kommer i kontakt med annat material och andra ämnen i och utanför reaktortanken. Vid kontakt med vatten finns också risken för ångexplosioner vilket de också studerar. Sevostian pekar upp mot taket på inneslutningen, där syns stora märken efter ångexplosioner.

Även om de alltså inte använder något riktigt kärnbränsle vid försöken så handlar det om höga temperaturer, ibland över 1000 grader Celsius. Kärnbränsle i de svenska reaktorerna smälter vid över 2000 grader. Kunskapen om förhållandena inuti reaktortanken är mycket viktig berättar Sevostian. Hur smältan kommer bete sig i inneslutningen efter att den smälter igenom tanken avgörs av hur förhållandena i tanken var innan tankgenomsmältningen ägde rum. Det avgör till exempel hur stor risken är för ångexplosioner - om smältan kommer i kontakt med vatten.

På vilket sätt är den kunskap som tas fram på KTH viktig? Patrick Isaksson är utredare på Strålsäkerhetsmyndigheten och forskningshandläggare för de projekt som rör svåra haverier.

– Svåra haverier är kärnkraftens akilleshäl och det gäller för myndigheten att förstå de fenomen som kan uppträda och som utgör en utmaning för säkerheten, att veta att vi har en korrekt förståelse för det. Sen är det också att verifiera eller att förstå de säkerhetsanalyser som tillståndshavarna skickar in, där de menar att de klarar av de krav vi har. Den här forskningen verifierar det kan man säga.

Kan du ta något konkret lättbegripligt exempel på vad det skulle kunna vara för någonting?

– Ångexplosioner i kokvattenreaktorer till exempel, det är en utmaning, och som vi hörde tidigare så är inneslutningen den sista barriären och då är skyddet av den sista barriären viktig och där är ångexplosioner en utmaning. KTH har bedrivit forskning kring ångexplosioner och gjort bedömningar som är viktiga att titta på, det är en sak. Men jag skulle framförallt vilja framhäva kylningen av härdrester i samband med ett svårt haveri, där härdrester hamnar i inneslutningen, där är strategin att kyla härdresterna. Det här har man tittat mycket på här och försökt kartlägga och det är viktig forskning. Kan inte härdresterna kylas så är inte smältan stabiliserad utan den utgör en potentiell utmaning mot sista barriären och potentiellt stora utsläpp, så det är viktig forskning som vi har stöttat här.

Den finansiering av forskning som Strålsäkerhetsmyndigheten står för kan delas upp i två delar. Dels så är det forskning som syftar till att studera ett speciellt fenomen, både för att höja kunskapen generellt inom ett område men också för att myndigheten ska kunna använda sig av den informationen i föreskrifter eller utformning av olika krav på en verksamhet. Och dels handlar det om att stödja forskargrupper inom ett visst område för att kompetensen ska finnas kvar i landet och bibehållas. För forskningen om svåra haverier är båda delarna viktiga säger Patrick Isaksson.

– Vi är dels ute efter resultaten, men det handlar också om en infrastrukturfråga.

Varför är viktigt att ha de här forskarna just i Sverige, skulle det inte kunna vara forskare i andra länder som tillhandahåller samma ungefär samma information?

– Forskningen är ju internationell och det är redan så att vi får ta del av andras forskning. Men jag ser det som viktigt att ha nationell kompetens. Dels med tanke på att det kan handla om frågor som är specifikt knutna till våra reaktorer i Sverige. Det är den forskning man gör på KTH är väldigt bra exempel på, de har utgått från våra svenska kokvattenreaktorer som är speciella i sin hantering av svåra haverier, men också utifrån att ha närhet till den här typen av kompetens, speciellt om det händer nånting någonstans i världen, då kommer frågan pocka på och då är det viktigt att ha kompetens nära till hands.

Ett av de större projekten inom svåra haverier som bedrivs på KTH, men även på Chalmers, är APRI, en förkortning av Accident Phenomena of Risk Importance. APRI handlar om att studera olika fenomen som uppträder i haveriförloppet under en härdsmälta och finansieras av både Strålsäkerhetsmyndigheten och de bolag som driver kärnkraftverk i Sverige. Redan 1992 drog man igång projektet som är uppdelad i treårsintervaller, nyligen avslutades APRI 10 och nu har man gått in i APRI 11. Sevostian Bechta berättar att det finns två huvuddelar av projektet.

– Det första är att studera hur man kan kyla ner en härdsmälta och isolera den i inneslutningen utan fara för omgivningen. Den andra delen handlar om att skydda inneslutningen genom att undvika ångexplosioner som kan uppkomma när det smälta bränslet kommer i kontakt med vatten.

Inriktningen inom APRI har skiftat över tid och föregicks av andra projekt kring svåra haverier. Docent Wiktor Frid har tidigare arbetat på Vattenfall, Statens kärnkraftsinspektion och Strålsäkerhetsmyndigheten men har sedan flera år, bland annat som adjungerad professor, varit knuten till KTH och forskningen där. Wiktor började studera svåra haverier redan 1980 och gjorde delar av sin doktorsavhandling i ämnet i USA. Det var nämligen där som forskningsområdet föddes, mycket beroende på olyckan i TMI, Three mile island i Harrisburg i USA i mars 1979. Wiktor berättar att risken för en härdsmälta vid den här tiden sågs som mycket liten, händelsen förvånade därför många.

– Det var en chock naturligtvis. När det gäller just själva förloppet, då visste man inte mycket. Det tog lång tid innan man kunde komma in i härden och in i tanken och för att se vad som hänt. Men lite senare efter olyckan, då, när man började ställa sig de här "what if" frågorna. Vad hade hänt om smältan skulle trängt igenom eller smält igenom botten av tanken och komma ut i inneslutningen under högt tryck? Då blev det en explosion av forskning. Man förstod att det finns väldigt många fenomen och förlopp som vi inte har tittat tillräckligt mycket på tidigare, till exempel vätgasexplosioner, vilket hade inträffat och vilket gjorde att jag började jobba inom området.

Olyckan i Harrisburg var allvarlig just eftersom en härdsmälta i en kärnkraftsreaktor hade setts som mycket osannolik, inte omöjlig men heller inte särskilt trolig. Däremot var olyckan inte allvarlig för omgivningen. Utsläppen som skedde var mycket små. Det var heller inte en total härdsmälta utan man lyckades kyla härden efter en tid. Efteråt har man kunnat konstatera att knappt hälften av härden smälte innan kylningen avstannade processen. 

Reaktorerna som byggdes innan olyckan i Harrisburg var inte direkt anpassade för att klara en härdsmälta. Däremot var de anpassade för andra större händelser som tillexempel stora rörbrott där ånga med mycket högt tryck strömmar ut och höjer trycket i inneslutningen. Reaktorinneslutningen klarade därför mer än väl sådana belastningar, men andra belastningar som kan inträffa vid en härdsmälta fanns inte med i kalkylen. Däremot hade det ställts krav på inneslutningens täthet så att den skulle begränsa utsläppen av mängden radioaktiva ämnen vid ett svårt haveri.

– Man har så att säga byggt inneslutningar för att klara den mängd aktivitet som skulle kunna frigöras vid en härdsmälta. Men man man har inte tagit hänsyn till alla de fenomen som kan inträffa vid en härdsmälta, som ångexplosioner, vätgasexplosioner och så vidare. Man betraktade på den tiden, och senare, att risken för en härdsmälta och att säkerhetssystemen inte skulle fungera var så pass liten att man kunde bortse från dem.

En annan viktig del för att förstå vad som händer vid en härdsmälta och hur man kan undvika den handlar om kemi. Att förstå hur olika radioaktiva ämnen beter sig kemiskt, till exempel vad de tar vägen om smältan går igenom tanken och ut i reaktorinneslutningen. Den kärnkemiska forskningen om svåra haverier görs på Chalmers tekniska högskola i Göteborg där Christian Ekberg är professor.

– Att kemin är med är för att det är kemin styr hur mycket som sprids från bränslet, var det sprids och hur man eventuellt kan stoppa det.

Den kärnkemiska forskningen handlar alltså om att studera de olika radioaktiva ämnenas egenskaper för att se hur de beter sig när bränslet och dess inkapsling smälter, Christian poängterar att det handlar både om förhållandena i reaktortanken och i reaktorinneslutningen.

– Är det så att de fastnar i vattenfasen, är det så att de fastnar på väggar, är det något speciellt material i inneslutningen som de fastnar på. Är det så att de genomgår någon typ av kemisk reaktion som gör dem mer eller mindre mobila? Är det så att vi på något sätt kan förhindra ett läckage från inneslutningen om det skulle behövas? Till exempel, funkar skrubber lösningen? Om man leder ut utsläppet genom skrubbar, kommer de radioaktiva ämnena fastna där, eller kommer de att läcka igenom i alla fall?

Den skrubber som Christian nämner är det som också kallas haverifilter. Filtret är till för att ta hand om radioaktiva ämnen som frigörs från inneslutningen, för om ångtrycket blir för högt i inneslutningen öppnas automatiskt, eller manuellt, en utgång för ångan där den kan strömma ut, det här för att skydda inneslutningen från skador under ett svårt haveri. Men innan ångan går ut i miljön passerar den ett slags filter som fångar upp det mesta av de radioaktiva ämnena. Chalmers forskning har visat att filtrena kanske kan bli ännu mer effektiva.

– Den slutgiltiga kemiska formeln på det speciella ämnet vi pratar om, är den i en sådan form att det faktiskt fastnar i haverifiltret? Är det så är vi ju glada. Är det inte så måste vi ju titta på hur kan vi modifiera sammansättningen av haverifiltret så att vi faktiskt kan fånga det. Man skulle kunna tänka sig att man modifierar till exempel färg eller vattenlösning eller någonting annat som gör att utläckande radioaktiva ämnen fångas bättre, det skulle man kunna göra.

Som sagt så har inriktningen på forskningen inom APRI och dess föregångare förändrats över tid. I början av 80-talet när forskningen drog igång på området var det just den filtrerade tryckavlastningen man fokuserade på, alltså de så kallade haverifiltrena. En fråga som aktualiserades efter olyckan i Harrisburg och den reaktorsäkerhetsutredning som gjordes i Sverige i november 1979. Wiktor Fridh berättar.

– Ja det var startpunkten for den forskningen i Sverige. Syftet var att utforma och ta fram kunskapsunderlag och konstruktions förutsättningar för att bygga filtrerad tryckavlastning i Barsebäck, det var ett regerings krav. Så det var anledningen till att det startades. Man var medveten redan innan olyckan att man skulle kunna förbättra inneslutningsfunktionen genom att ha en slags säkerhetsventil, så det fanns sådana diskussioner. Så det var inte helt nytt, men TMI olyckan ställde naturligtvis frågan på sin spets.

Så småningom installerades haverifilter på alla reaktorer i Sverige, även flera andra länder följde efter. Men i landet som startade forskningen kring filtrerna, USA, installerades inga filter, inte heller i Japan. Om det hade funnit haverifilter på reaktorerna i Fukushima Dahiichi vid olyckan 2011 hade förmodligen utsläppen blivit betydligt mindre, kanske försumbara. Efter olyckan i Japan diskuterar åter igen flera länder om de ska installera tryckavlastande filter eller inte.
Forskningen på KTH och Chalmers har haft stor betydelse för förståelsen av olyckan i Fukushima men har också synliggjort brister i kunskapen. Patrick Isaksson, utredare på Strålsäkerhetsmyndigheten berättar att förloppet vid härdsmältorna i Fukushima inte var det förväntade.

– Det har gått hål på flera ställen, smältan har förmodligen penetrerat tanken på flera ställen och det har inte ansamlats på botten. Alltså härdmaterial, strukturmaterial har inte ansamlats botten och tillsammans blivit en smälta som har frigjorts utan förloppet verkar gått snabbare än vad modellerna har sagt. Det här kan vi se genom att det ligger hela intakta strukturer i botten på inneslutningen i fukushimareaktorerna, det var ingen som förutsåg det.
Om man hade förutsett det, hade det haft någon betydelse för det som hände i Fukushima.

– Nej, det är svårt att svara på spontant. Det hade haft betydelse för analysen, det hade funnits bättre förutsättningar att förstå egenskaperna i smältan när den landar i inneslutningen. Vilket för svensk del betyder att vi hade haft en bättre förståelse för möjligheterna och kyla smältan i inneslutningen. Att stabilisera smältan i inneslutningen är väldigt viktig för hela förförståelsen av ett svårt haveri, för att kunna uttala sig om ifall det ger acceptabla konsekvenser, eller inte. Den aspekten hade varit viktig för Sverige att veta. De hade ju inte någon riktig strategi för att hantera svåra haverier menar jag. de hade till exempel inte haverifilter. Jag antar att de hade gått mycket på att förebygga svåra haverier, det var strategin i huvudsak där, det är min tolkning med tanke på att de inte hade konsekvens lindrande system. Vad hade de dragit för läxor av att de hade vetat att tankengenomsmältnings "moden" såg annorlunda ut än standardmodellen? Det hade kanske inte blivit så stora konsekvenser av den kunskapen för dem.

Händelsen i vid Fukushima i Japan har även påverkat forskningen inom APRI. På KTH tar man ett steg tillbaka och vill gå till botten med vad som händer inne i reaktortanken, just för att de visat att förhållandena där har större betydelse för vad som händer om smältan tar sig igenom tanken än man tidigare vetat. Vi tar ett steg tillbaka och kommer att studera det mer på djupet säger Sevostian Bechta på KTH.

En härdsmälta är förstås en mycket allvarlig händelse för en anläggning men behöver alltså inte betyda att det släpps ut radioaktiva ämnen i miljön. Lyckas man kyla härden och behålla den i reaktortanken behöver det inte ske några utsläpp av betydelse. Inte heller om smältan tar sig igenom tanken behöver konsekvenserna för omgivningen bli allvarliga, så länge inneslutningen är intakt. Har man som i Sverige haverifilter som tar hand om de radioaktiva ämnena så blir konsekvenserna för miljön små, däremot blir förstås de ekonomiska konsekvenserna stora för den som äger reaktorn eftersom den blir mer eller mindre förstörd, beroende på hur mycket av härden som smälter. Men om det uppstår ångexplosioner i samband ett haveri, då kan delar av reaktorinneslutningen skadas med utsläpp som följd, det är just därför forskningen kring ångexplosioner och möjligheten att kyla en härdsmälta anses vara så viktig. Och om det värsta skulle ske, ett svårt haveri vid ett kärnkraftverk i Sverige, då används resultaten i den forskning som bedrivs på KTH och Chalmers även inom krisberedskapen.

Strålsäkerhetsmyndigheten använder sig av så kallade integralkoder som, enkelt uttryckt, innehåller information om hur ett haveri kan utvecklas och vilka konsekvenser det kan resultera i. Patrick Isaksson på Strålsäkerhetsmyndigheten förklarar mer i detalj vad koderna används till.

– Ja, det kallas för integralkoder och det är koder som kan simulera hela förloppet under ett svårt haveri, från de initiala bränsleskadorna, härdnersmältning i tanken, det som man brukar kalla för relokering, alltså smälta som hamnar i botten på tanken. Den här betongsmälta reaktionen som kan uppstå i inneslutningen. Integral koderna hanterar hela det förloppet. Och en integral kod ser jag som att det är där det bästa kunnandet samlas för att modulera de här fenomenen, så det representerar det vi känner till samtidigt som modellerna ska vara förhållandevis enkla för att det ska gå att göra hela den här simuleringen. Så det är en balansgång mellan sofistikerade modeller men som också representerar någonting som går att använda. Men det är de här koderna som är till grund för den säkerhetsanalys som tillståndsgivningen skickar in, analyser som vi gör via myndighetsstöd för att verifiera eller kontrollerade olika säkerhetsfrågor eller farhågor vi har. Då är det de här koderna vi använder.

Vad innehåller koderna för information, kan du ge ett konkret exempel?

– Typiskt sätt så är det tryck i inneslutningen, temperatur i inneslutningen är en verklig klassiker, för inneslutningen är den sista barriären i samband med ett svårt haveri och då är det väldigt viktigt att veta när kapaciteten för den överstigs. Och för svenska förhållanden så är det tidpunkten för när det blir ett filtrerat utsläpp.

Alltså ett utsläpp som går ut via haverifiltret?

– Exakt, det är väldigt viktig information i en krishändelse. Det är till exempel viktig information för räddningsledaren i samband med en kris. Det är överhuvudtaget viktigt att känna till för att kunna bedöma utsläppen och huruvida de är acceptabla eller inte. Men det är bara ett exempel på hur man kan få ut av integralkoderna. Mängden vätgas är en annan fråga som som koden kan ge, alltså hur mycket vätgas produceras under ett svårt haveri. 

– Då är koden till för att kunna veta det innan det har hänt så att man kan beräkna i förväg, är det så det fungerar?

– Ja då kan vi ju Bedöma risker utifrån om vad vi känner till vad koden ger, men jag skulle också vilja framhäva eller understryka, det koden också gör är att bedöma utsläpp. Den simulerar, analyserar och beräknar källtermen som alltså ger ett svar på vad som potentiellt kan frigöras i samband med ett svårt haveri, det är en viktig uppgift för oss att veta och det ger koden svar på.

Den informationen som används för att skapa koderna, ändras den om ni får ny kunskap?

– Ja, koden under konstant utveckling och förfining. Mycket i koden är ju fortfarande grov, typexemplet är hur nedsmältning av härden modelleras, den är grov fortfarande. Det finns mycket att göra för att förbättra koden men samtidigt ger koden en bra beskrivning, en bra representation av vad som händer. Det tycker jag olyckan i Tjernobyl visar, att det är mycket som återstår, men det är också mycket som fångas upp av koden. Koden har gått från att vara en ren grov riskbedömning till att kunna användas för att utveckla haverihanterings strategier. Koden är så pass sofistikerad nu för tiden att den kan användas till mer än bara grova riskbedömningar.

En förutsättning för att utveckla koderna så att de stämmer så bra med verkligenheten som möjligt är att det finns en kontinuitet i forskningen. Att just APRI projektet hållit på så lång tid utan avbrott ses därför som en stor fördel. Christian Ekberg på Chalmers.

– Man kan alltså börja en ända, beta av och konstatera nu kan vi det här. Nu går vi vidare och tar nästa steg och sedan tar vi nästa steg. Istället för som den normal finansierade forskningen där man hoppar från tuva till tuva så blir man aldrig färdig.

Även Patrick Isaksson på Strålsäkerhetsmyndigheten menar att långsiktigheten är viktig för att kunna bygga upp kunskap på sikt.

– Resultat läggs till resultat på ett systematiskt sätt att man tar vid där man avslutade sist i forskningen, vilket dels betyder att det inte blir något gap och att det inte blir något redundant gjort och att man kan gräva på djupet.

– En del kanske skulle hävda att nu har man forskat på det här ett x– antal år, nu räcker det väl, nu vet vi väl tillräckligt mycket. Vad skulle du svara på det?

– Enskilda fenomen kanske man kan lägga till handlingarna, det här vet vi tillräckligt mycket om. Jag har svårt att se att man generellt kan konstatera att nu vet vi tillräckligt om svåra haverier, nu behöver vi inte forska mer. Speciellt inte för generation två reaktorer som vi har i drift nu där svåra haverier inte fanns med från början i konstruktionen utan kom som ett "back-fit", alltså som en efterhandskonstruktion i samband med Three mile island olyckan då man konstaterade att svåra haverier kan inträffa och att vi måste hantera det, så byggde man konsekvenslindrande system. Det jag menar är att det fortfarande finns osäkerheter kring inneslutningsfenomen och förmågan för inneslutning att fungera som en sista barriär för att man ska kunna stänga frågan om svåra haverier. I samband med installationerna av OBH, som är ett förebyggande system, har jag hört vissa säga att nu har vi förebyggt så mycket så nu bör vi inte ägna oss åt svåra haverier. Det är ju egentligen samma tänk som man hade på Three mile island då man menade på att det kan inte hända.

Och de resultat man får fram på KTH och Chalmers kan de användas även till helt andra reaktortyper utomlands?

– Ja, absolut. Det arbetet som KTH har gjort kring svenska kokvattenreaktorer, Intresset för den forskningen är stort i samband med när man tittar på Fukushima, som också är kokvattenreaktorer. Typiskt sätt har forskningen dominerats av forskning av tryckvattenreaktorer, för det är en den förhärskande reaktortypen. Den forskningen som KTH och Chalmers gör har internationellt intresse för existerande reaktorer i andra länder. Forskningen är i ett internationellt sammanhang där där man ger och tar. För Sveriges del så gör vi djupdykningar i våra specifika förhållanden men mycket är ju generellt. En av anledningarna till att det är viktigt att ha forskargrupper är det att de är de som har förutsättningar att ta hem internationell forskning och tillämpa och utvärdera på svenska förhållanden. Forskning är så kvalificerad så det är svårt för till exempel en handläggere som jag att titta på den internationella forskningen och omsätta den i vad betyder den för Sveriges del. Det kommer ju direkt via modeller och koder i förlängningen, det är ytterligare en anledning till att ha den här forskningen, som jag ser det.

Det sa Patrick Isaksson, utredare och forskningshandläggare på Strålsäkerhetsmyndigheten. Patrick nämnde OBH, en förkortning för oberoende härdkylning, ett extra säkerhetssystem som kan kyla härden om alla andra system slutat att fungera. OBH är sedan den sista december 2020 infört på alla reaktorer i Sverige. Vill ni veta mer om oberoende härdkylning, lyssna på ett av våra tidigare avsnitt med titeln ”Så fungerar oberoende härdkylning”.