Reactor Chemistry in LWR SMRs : Determination of the rate constant for the reaction between boric acid and hydroxyl radicals

Abstract: Ett problem vid byggandet av nya kärnkraftverk för elproduktion är de stora investeringskostnaderna samt den långa tiden det att få tillstånd för en reaktor och bygga den. Nyligen färdigställdes den tredje reaktorn vid Olkiluoto I Finland, den tog 18 år att färdigställa exklusive tiden att få tillstånd för reaktorn. Små modulära kärnkraftsreaktorer, SMR är mindre reaktorer med en lägre elektrisk effekt har föreslagits vara en lösning på problemet. Det behövs inte lika stora investeringar för att uppföra en reaktor och de ska också gå snabbare att bygga. Det finns flera fördelar med SMR, de kommer att tillverkas i fabriker vilket minskar konstruktionstiden. Samma reaktormodell behöver bara ett tillstånd för licensering medan stora reaktorer som byggs idag behöver ett nytt för varje reaktor. Det är dessutom billigare att serieproducera reaktorer då kostnaden går ned för varje producerad reaktor. De flesta reaktorer idag använder lättvatten som en moderator och för att kyla ned reaktorn, reaktorerna kallas för lätt vatten reaktorer, LWR. Det finns två vanliga designer, en där vatten kokas inuti reaktorn och driver sedan en turbin, reaktorn kallas för kokvattenreaktor, BWR. Den andra vanliga reaktordesignen är tryckvattenreaktorn, PWR där det är ett högre tryck som gör att vattnet inte kokar i reaktorn, i stället kokar det varma vattnet från reaktorn vatten i en sekundär vattenloop i en ånggenerator. Det är ångan i sekundär loopen som sedan driver turbinen. Det finns även flera reaktorkoncept som inte använder lättvatten. De SMR koncept som är närmast att påbörja konstruktion är alla LWR eftersom det är där den största erfarenheten från tidigare reaktordesigner finns. Genom att undersöka sju SMR koncept, sex PWR och en BWR är bilden att många är väldigt lika reaktorerna som finns idag, däremot så har många tagit bort komplicerade system och infört passiva säkerhetssystem som bland annat naturlig cirkulation för att få en passiv kylning. Materialen som används är också material som tidigare har används. En av de föreslagna förenklingarna är borttagandet av en löst neutronabsorbent i PWR reaktorer, i stället ska kontroll stavar och neutron gift i bränslet användas i en större grad. Den vanligaste neutronabsorbenten som används i lösning är borsyra eftersom bor har ett högt neutrontvärsnitt. Användandet av borsyra i reaktorn leder till lägre pH vilket ökar korrosionen, borsyran påverkar även radiolysen av vatten. I det här arbetet har hastighetskonstanten för reaktionen mellan borsyra och hydroxylradikalen som bildas genom radiolys av vatten undersökts. I experimenten användes coumarin-3-karboxylsyra som en radikalinfångare för att studera reaktionshastigheten genom tävlingskinetik. Den hydroxylerade produkten som bildas har detekterats genom fluorescens. Hastighetskonstanten mättes till 1.25 ∙ 106 M-1 s-1 vilket är högre än tidigare litteraturvärden. Skillnaden kan delvis förklaras genom närvaron av motbasen till borsyra, borat samt trimeren tetraborat som bildas vid höga koncentrationer av borsyra.