WAAR SUID-AFRIKA MET SY KERNPROGRAM VANDAG KON STAAN

Jeanette Koekemoer

Lees reeks by 'Beurtkrag' was nie nodig

Met dank aan dr R.A. Basson vir 'n groot deel van die inligting hierin vervat asook aan
A R Newby-Fraser

PELINDUNA KRAGSTASIE

”Die buigsame ontwerp van PELINDUNA het sommige van die mees gevorderde en progressiewe tegnieke in kernkragontwikkeling bevat. Dit het ons in staat gestel om 'n geweldige kernkragtegnologiese stap vorentoe te doen".

Alhoewel kernenergie in die gestalte van 'n wapen 'n verskrikking in die wêreld se oë is, was die potensiaal en vooruitsigte vir elektrisiteitsontwikkeling met ander brandstowwe as die gebruiklike fossielbrandstowwe baie belowend. Vandag is hierdie potensiaal, ten spyte van die teenstand teen kernkrag uit verskeie oorde, net so groot, waarskynlik selfs groter as gevolg van die styging in aardoliepryse. Die vraagstuk van kernkrag was in Suid-Afrika in die vyftigerjare nie dringend nie omdat steenkool volop was, maar dr Roux het nietemin voorsien dat kernkrag vroeër of later sy buiging in die Republiek sou maak, en toe hy sy voorstelle geformuleer het, het hy die belangrikheid daarvan benadruk om 'n span wetenskaplikes en ingenieurs op te bou wat met aktiewe navorsing op die hoogte van ontwikkelinge op hierdie gebied kon bly en wat leiding sou kon gee wanneer kernkrag uiteindelik aangewend word. Hy het nooit daaraan getwyfel dat dit sou gebeur nie en by tallose geleenthede daarop gewys dat dit nodig was om die Republiek se steenkoolhulpbronne te spaar waaruit die toevoermateriaal vir olie- en petrolaanlegte soos SASOL verkry word.

Hierdie benadering was dikwels onder bespreking deur die groep Suid-Afrikaanse wetenskaplikes wat in die vroeë sestigerjare besig was om kernopleiding in die VSA se Argonne National Laboratory te ondergaan. Uit hierdie besprekings is die gedagte gebore om 'n reaktor-konsep te ontwikkel waaraan wetenskaplikes uit baie dissiplines sou kon saamwerk. Die onderliggende gedagtegang was om Pelindaba tot 'n uitstaande sentrum van kernwetenskap uit te bou en daar 'n sentrale tema moes wees om tersaaklikheid aan die onderskeie dissiplines te verleen en dat sodanige tema uit 'n oorspronklike reaktorkonsep sou kon bestaan wat spesifiek by Suid-Afrikaanse omstandighede aangepas sou wees. Deur sy uniekheid moes hierdie konsep wetenskaplikes en ingenieurs voor 'n nuwe uitdaging stel en hulle sodoende prikkel om met kerntegnologie in die praktyk vertroud te raak.

Uit hierdie gedagte het 'n groep ontwikkel wat die ontwerp en ontwikkeling van die kragreaktorkonsep met die naam PELINDUNA (Pelindaba — Deuterium Uraan Natrium) onder leiding van dr W L Grant aan te pak. Hierdie reaktor sou natuurlike uraan as brandstof, swaarwater as remstof en vloeibare natrium as koelmiddel gebruik. Toe die voorstel ter uitvoering van die PELINDUNA-program in 1962 aan die Kernkragkomitee voorgelê is, is daarop gewys dat die konsep groot belofte vir 'n vermindering in kragontwikkelingskoste ingehou het weens die gebruik van vloeibare natrium as koelmiddel wat sou verseker dat die hitteoordrag-doeltreffendheid veel hoër is en dat groot kapitaalitems soos 'n drukvat gevolglik uitgeskakel kon word. Daar is geskat dat die koste van die kerngedeelte van 'n kernsentrale met byna 'n faktor 3 verminder sou kon word indien die PELINDUNA-ontwerp ontwikkel en in sodanige kragsentrale beliggaam kon word.

'n Bykomende voordeel was dat die ondervinding met vloeibare metale op snelreaktorstelsels toepaslik sou wees wat moontlik in die toekoms belangrik sou word, terwyl die ontwikkeling van die konsep die Suid-Afrikaanse nywerheid sou aanmoedig om die probleme met kerngraadmateriale en hulle gespesialiseerde vervaardigingstegnieke die hoof te bied. Daar is verder op gewys dat gespesialiseerde onderdele soos groot drukvate uitgeskakel sou word, en daarom die nywerheid in staat sou wees om feitlik al die onderdele van die kerndeel van 'n grootskaalse kragsentrale te vervaardig.

In 'n sekere mate was daar ooreenkoms tussen die konsep en ander drukbuisreaktore maar dit het nogtans in verskeie opsigte van ander konsepte afgewyk:

• Deur natrium as koelmiddel en onbeklede uraanballe as brandstof te gebruik, sou die gemiddelde spesifieke energieopbrengs meer as ses maal groter wees as wat in swaarwaterreaktore verkry kon word;
• indien die reaktor deur leegtes beheer sou word wat uit die verplasing van die remstof deur helium ontstaan, in plaas van deur neutronabsorberende beheerstawe, sou hoë neutronekonomie en groter verbranding bereik kon word; en
• die gebruik van sferiese brandstofelemente en vloeinatriumverkoeling in vertikale pype sou 'n stelsel moontlik maak waarvolgens die brandstof deurlopend gelaai en ontlaai kan word.

Die ontwerp het uit 'n remstoftenk bestaan, deurdring deur 'n aantal dunwandige vertikale kalandriabuise wat swaarwater by atmosferiese druk sou bevat en waardeur die brandstofelementsamestelling sou gaan met 'n speling om as hitte-isolasie sowel as veiligheidsversperringte dien. 'n Elementskikking met 'n roostersteek van ongeveer 300 mm is in die vooruitsig gestel. Elke brandstofelement sou uit twee konsentriese buise bestaan en die buiteringgaping, tipies 20 mm wyd, sou met brandstof in die vorm van onbeklede uraanmetaalballe of uraankarbiedballe gepak word. Die koelmiddel, vloeibare natrium, sou in regstreekse aanraking met die balle deur die brandstofbedding vloei. Die sentrale silindervormige ruimte in elke element is as koelmiddelvloeikanaal bestem. Vir die oorspronklike ontwerp is 'n oorkruisvloeistelsel voorgestel waardeur die koelmiddel afwaarts deur die sentrale gedeelte van die silindriese kanaal sou beweeg en dan weer opwaarts deur die twee vertikale kanale aan elke kant van die afwaartse kanaal om sodoende die brandstof deur middel van oorkruisvloei tussen die kanale of te koel. In 'n latere ontwerp is voorgestel dat die koelmiddel opwaarts deur die sentrale vertikale kanaal sou vloei, dan na buite na die brandstof en dan weer terug na die vertikale buitekanale om uiteindelik weer in 'n opwaartse rigting te vloei. Oorspronklik is 'n geïntegreerde hitteruiler en elektromagnetiese koelmiddelsirkuleerpomp vir elke element in die vooruitsig gestel waarmee die koelmiddel teen lae druk in 'n geslote kringloop gepomp sou word, maar 'n gewysigde rangskikking het vir 'n warmkoelmiddelvertakstuk bo die tenk voorsiening gemaak terwyl die hitteruilers langs die reaktorvat geplaas sou word. In laasgenoemde skema was dit moontlik om vir toereikende reinigingstroombane vir die natrium voorsiening te maak. In albei gevalle is 'n eendeurgangstoomopwekker voorgestel wat direk deur die primêre natrium verhit sou word. Ontlading van die uitgebrande brandstof sou deur middel van 'n vriesseël op die bodem van elke element plaasvind en deur die swaarwater in die buise deur helium te verplaas om sodoende leegtes te veroorsaak, sou die reaktor beheer kon word.

'n Volledige teoretiese ondersoek van die stelsel is gedoen voordat enige grootskaalse eksperimente uitgevoer is. Dit het die ontwikkeling van berekeningsmetodes vir die reaktorfisikaparameters genoodsaak —'n onderneming waarby die gebrek aan 'n geskikte rekenoutomaat 'n reeks langdurige handberekenings vereis het. Hierdie handberekenings was van 'n aantal vereenvoudigende aannames afhanklik. Weens die inherente beperkings van hierdie benadering is dit gou verander en is 'n rekenaargefundeerde model ontwerp. Die WNNR se geriewe is aanvanklik benut en later ook die RAK se eie rekenaarsentrum. Sodoende was dit moontlik om neutronekonomie, een van die hooffaktore wat bepaal of 'n reaktorkonsep inderdaad as 'n elektriese kragontwikkel-eenheid ekonomies lewensvatbaar sou wees, te evalueer. Tesame met ander berekenings vir die brandstofelement-rangskikking en die voorgestelde beheermeganisme, het hierdie berekenings tot die gevolgtrekking gelei dat daar oor die algemeen waarskynlik nie enige beduidende probleme sou wees nie. As gevolg van die ingewikkeldheid en grootte van die voorgestelde brandstofelemente en die feit dat sekere aannames, selfs in die verfynde rekenaarberekenings, nog gemaak moes word, was eksperimentele bevestiging van sommige van die berekende kernparameters noodsaaklik en gevolglik is 'n subkritieke of sogenaamde eksponensiële opstelling gebou. Die Suid-Afrikaanse nywerheid het die hele vervaardiging van die samestel en die brandstofelemente uitgevoer. Gegewens wat met hierdie opstelling verkry is, het in der waarheid getoon dat verskille met die berekende waardes voorgekom bet, maar dat met laasgenoemde aan die konserwatiewe kant gefouteer is. Deur'n verbeterde rekenaarprogram te gebruik, is uitstekende ooreenstemming tussen die berekende en gemete waardes uiteindelik verkry. 'n Wiskundige model is ontwikkel waarmee die welwing ('n belangrike reaktorfisika-parameter) vir hierdie soort brandstofelement uiters noukeurig vasgestel is. Met hierdie model is 'n rekenaarprogram toe opgestel om die verbranding vir PELINDUNA te bereken.

Aangesien 'n eksponensiële opstelling nie kritiek gemaak kan word nie en gevolglik nie by beduidende neutronvloedpeile bedryf kan word nie, was dit onmoontlik om bedryfsparameters soos die temperatuurkoeffisiënt, beheerstaafwaardes, drywingsverspreiding, leegte-effekte, ensovoorts te meet. Dit was ook nie moontlik om die geldigheid van die berekende waardes na te gaan nie. 'n Opstelling wat kritiek gemaak kon word, was gevolglik nodig, en gesien die hoë koste van so 'n gerief, is daar besluit om uraan, tot 2 % verryk, as brandstof te gebruik en sodoende die getal brandstofelemente van 19 tot 4 te verminder. Effens verrykte uraan sou verder die gebruik van 'n veel kleiner en goedkoper opstelling moontlik maak. Die kritieke opstelling waaraan die naam PELINDUNA 0/4 gegee is, het op 30 November 1967 kritiek geword, 'n datum wat as 'n belangrike mylpaal in die ontwikkeling van reaktorfisika in Suid-Afrika beskou sou word, veral as in gedagte gehou word dat hierdie opstelling die eerste van inheemse ontwerp en konstruksie op die Vasteland van Afrika was.

Die ingenieurs was, gelyktydig met die ontwikkeling van die konsep se reaktorfisika, reeds besig om aan 'n volskaalse kragsentrale met PELINDUNA as grondslag te dink, en 'n rekenaarprogram om die optimum komponentverhoudings vir 'n eenheid met 'n elektriese vermoë van 300 MW te bepaal, is opgestel. Voorlopige diagramme van die reaktorstelsel en van die inperkgebou, asook die uitleg van die prototipe reaktor van 30 MW met vier brandstofelemente en wat effens verrykte uraan sou gebruik om komponente vir 'n volskaalse kragreaktor te toets, is tot op 'n gevorderde peil gevoer. Namate daar met die werk gevorder is, is veranderings en verbeterings noodwendig aangebring met 'n gevolglike uitwerking op die onderskeie ontwerpkenmerke. So is daar gevind dat die oorspronklike benadering van 'n elektromagnetiese koelmiddelpomp en hitteruiler vir elke brandstofelement vir hoë brandstofaanslae lomp was en is dit deur 'n vertakpypstelsel met gemeenskaplike pompe, wat meganies kon wees, en deur hitteruilers langs die reaktor vervang.

Daar is verder bevind dat doeltreffender verkoeling bereik kon word deur die warm natrium van die onderkant tot by die middel van die brandstofelement te voer. Openinge is gevolglik in die pyp gemaak sodat die natrium radiaal na die brandstof en dan met behulp van skotte voorwaarts en terugwaarts deur die brandstoflaag kon vloei. Steeds besorg oor koelmiddelprobleme, is ander wysigings oorweeg — en verwerp. Alhoewel aangetoon is dat gasverkoeling moontlik was, sou dit meebring dat die aktiewe koelmiddel teen hoë temperatuur in die groot stelsel ingeperk moes word sowel as deur drukpype in die kalandriavatdrukinperking. Inwendige verkoeling deur stoom of water het ook probleme geskep aangesien die wisselings in die kookvlak en in die stoomdigthede, die reaktiwiteit van die reaktor sou beïnvloed. Uiteindelik is inwendige verkoeling deur onbesmette natrium van die hand gewys weens die moeilikheid om hittetransport en -oordrag binne die brandstofelement bymekaar aan te pas en die gevolglike verlies aan doeltreffendheid wat dit sou meebring. Die ondoeltreffendheid van die elektromagnetiese pompe bet daartoe gelei dat hulle deur sentrifugale pompe vervang is. In die geval van die vriesseëls was die verhaal egter anders en die welslae wat behaal is, was van so 'n aard dat hulle algemene gedrag met sekerheid voorspel kon word.

Vervolg...