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

"Hoewel dit vandag nie denkbaar is dat 'n kragsentrale volgens die PELINDUNA-konsep in sy oorspronklike vorm in Suid-Afrika gebou sal word nie, was die jare van navorsing en ontwikkeling wat aan die projek bestee is nie verlore nie en is daar 'n groot stap nader aan die ideaal van kernenergie in Suid-Afrika gegee. Die doelstelling om 'n skatkamer van kerndeskundigheid daar te stel, is bereik. Hierdie manne was in staat om met verdere navorsing daardie ideaal te verwesenlik.  En dit was moontlik om 'n treffende spangees te skep wat, ten spyte van die trauma van die projek se einde, 'n kenmerk van Pelindaba was tot dit ook deur politieke oorwegings tot 'n einde gebring is."

Wanneer uraan as brandstof gebruik word, was dit uit 'n reaktorfisiese gesigspunt noodsaaklik dat 'n materiaal met 'n lae neutron-absorpsiekansvlak vir die brandstofhouerbuis gekies word. Die enigste geskikte materiaal wat oor die nodige fisiese en meganiese eienskappe beskik het, was sirkonium en sirkoniumlegerings. Die geredelik beskikbare Zircaloy-Z se sterkte was by die bedryfstemperature van PELINDUNA onvoldoende en hoewel ander legerings van sirkonium soos niobiumsirkonium van 1 % geskikter was, het dit hoër neutronvangskansvlakke getoon en dit sou 'n beduidende negatiewe uitwerking op die neutronekonomie van die reaktor gehad het. Ondersoek van sirkoniumbeklede 3Z1 en legerings wat nie metaaldispersoïede bevat nie, soos kalsiumoksied, het 3Z1 op grond van korrosie as mededinger uitgeskakel terwyl kalsiumoksied weens sy reduksie tot die metaal kalsium sowel as verdamping gedurende die sinteringsproses as ongeskik bewys is.

Die inperkbuisprobleem is nooit vir die oorpsronklike PELINDUNA-konsep met natuurlike uraan opgelos nie, maar vir die gewysigde konsep waarin effens verrykte uraan gebruik sou word, sou roesvry staal heeltemal bevredigend wees.

Talle ander ondersoeke is ook ingekort deur die besluit om die projek te staak. Onder hulle was die ondersoek van die meganiese gedrag van brandstofballe onder toestande van beheerde temperatuur en bestraling waarvoor'n lus vir die bestraling van kapsules wat uraanbrandstofballe bevat, langs die kant van die poel van SAFARI-1 ingerig is. Omdat die bereikbare drywingsdigtheid in hierdie posisie veel laer is as wat vir PELINDUNA in die vooruitsig gestel is, sou die deursneë van die natuurlike uraanballe van 10 tot 30 mm vergroot word. By laasgenoemde deursneë sou die geïnduseerde oppervlakspanning dieselfde wees as dié in die kleiner balle van die PELINDUNA-brandstofelement.

Brandstofballe van dieselfde deursneë as wat gebruik sou word, maar verryk tot die vereiste graad om hulle dieselfde temperatuurverspreidings en spannings in die bestralingskapsule te laat ontwikkel as wat in die kragreaktor ondervind sou word, was ook 'n onderwerp van ondersoek met die bedoeling om 'n antwoord op die vraag te vind of kraking van die metaalballe 'n probleem sou veroorsaak. Terselfdertyd was dit nodig om die stabiliteit van uraanballe in 'n gepakte bedding te ondersoek asook die uitvoerbaarheid van die gebruik van kleiner balle om die energieopbrengs te verhoog.

Dit was ook nodig om probleme in verband met die hitteruiling tussen die vloeibare natrium en die uraanballe, en oor die algemeen in verband met die vloei-eienskappe van die koelmiddel in die brandstofelement, op te los. Krommes waarmee dit moontlik was om die hitteontwikkeling in die brandstofelement stelselmatig te ontleed, is bereken en die korrelasie tussen die vloeiweerstand vir die natrium in die PELINDUNA-brandstofelement en die parameters van die element self kon ook vasgestel word sodat dit moontlik was om drukvalle met redelike noukeurigheid te bepaal. Die uitslag van hierdie ondersoeke het daarop gedui dat die ontwerpprobleem, uit 'n vloei- en hitteruiloogpunt gesien, in 'n groot mate opgelos was en dit wou voorkom asof dit, onder gunstige omstandighede en met brandstofballe met 'n deursneë van 2,5 mm, moontlik sou wees om 'n gemiddelde, spesifieke drywing van meer as 100 W/g te bereik met 'n maksimum temperatuurverskil van ongeveer 70 °C tussen die middelpunt van die balle en die uitlaatnatrium by 500 °C en met 'n temperatuurstyging van 220 °C in die natrium.

Hierdie hoë spesifieke energie-opbrengs was een van die belangrikste eienskappe van die konsep en het uitstaande bedryfsekonomiese voordele gebied, maar dit het ook meegebring dat reaktore wat op hierdie konsep gegrond sou word, baie groot sou moes wees. 'n Kragreaktor met 'n hartgrootte van 3 m X 3 m X 3 m en wat 100 elemente bevat, sou byvoorbeeld 'n hitteopbrengs van 2 3001VIW lewer. Nadat die probleme van hitte-oordrag tussen die brandstof en die natrium uitgestryk is, is oorweging aan regstreekse hitteruiling tussen natrium en stoom verleen wat tot die begrip van 'n besonder groot hitteruiler vir 'n reaktor van 300 MW gelei bet. Hierdie benadering het 'n aantal probleme aan die lig gebring wat nie in kleiner hitteruilers ondervind is nie. Dit het die bepaling van die uitwerking van vervaardigingsmetodes en van verskeie spannings wat geïnduseer kon word nodig gemaak sowel as 'n waardebepaling van die uitwerking van temperatuurstyging in die hart en by die hartuitlaat asook van stoom en toevoerwatertemperature op die bepaling van die grootte van die hitteruiler. Al hierdie faktore het die gebruik van 'n U-buissamestel genoodsaak om die groot lengte van 'n heringangshitteruiler met dubbelbuise te vermy en die differensiële uitsetting en spannings binne redelike perke te hou. Besorgdheid oor die moontlikheid van 'n hewige chemiese reaksie tussen natrium en stoom indien'n brandstofelement sou swig, is deur studies uitgeskakel wat aangetoon het dat die voorgestelde hitteruilerontwerp uit 'n veiligheidsoogpunt baie aantreklik was. Al die reaktor-ingenieurswese-studies het daarop gedui dat die konsep selfs belowender was as wat oorspronklik vermoed is en 'n duideliker beeld is van die omvang van die probleme verkry wat met die ontwikkeling daarvan verband gehou bet. Dit wou voorkom of al hierdie probleme vir 'n redelike praktiese en ekonomiese oplossing vatbaar sou wees alhoewel verdere werk om die fyner besonderhede te bepaal natuurlik nog gedoen sou moes word.

In ooreenstemming met die benadering dat 'n sentrale navorsingsdraad die belangstellings van alle dissiplines op Pelindaba moes saambind, het die inspanning van die ingenieurs en reaktorfisici natuurlik met dié van die skeikundige en metaalkundiges gepaard gegaan. Gesien dat die konsep van onbeklede brandstofballe gebruik is, was daar altyd die moontlikheid dat klowingsprodukte uit die brandstof na die koelmiddel kon ontsnap en hieroor moes vroeë opheldering dus verkry word. In werklikheid is gevind dat wanneer balle van 2,5 mm gebruik is, die omvang van hierdie ontsnapping klein was en slegs ongeveer 0,4 % van al die gevormde klowingsprodukte bedra het. Daar is verder aangetoon dat 'n verwante probleem, naamlik dié van terugslag weens die vrystelling van klowingsprodukte wat veroorsaak dat uraanatome uit die balle uitgeskop word en dus tot brandstofverarming of verdamping aanleiding gee, van weinig belang was. Dit is deur sowel die resultate wat in vakuum- en in gasomgewings behaal is as die ondervinding met die snelreaktor in Dounreay getoon. Die oplosbaarheid van klowingsprodukte in vloeibare natrium het tussen 'n breuk van 'n deel per miljoen en etlike persent gewissel. Oor die algemeen het dit met stygende temperatuur toegeneem alhoewel 'n daling in 'n aantal gevalle waargeneem is. Dit was 'n waardevolle bevinding want dit het beteken dat omstandighede in 'n werklike stelsel geskep kan word om die vorming van versadigde oplossings te vermy deur, byvoorbeeld, koue- of warmvalle om elemente met positiewe of negatiewe temperatuurkoelfisiënte onderskeidelik te verwyder.

Die metaalkundiges het 'n dubbele rol gespeel. Hulle moes die brandstof in die verlangde vorm vir PELINDUNA produseer en daarna die gedrag van die brandstof en ander komponente onder reaktorbedryfsomstandighede bepaal. In die oorspronklike brandstofelement-ontwerp is balle van natuurlike uraan met 'n deursnee van 10 mm gebruik. Die onmiddellike behoefte was 600 000 balle met 'n totale massa van ongeveer ses ton.

Die aanvaarde vervaardigingsmetode het koudsmeding van stawe met 'n deursnit van 32 mm behels. Die stawe is dan in lopers opgesny, in 'n soutbad tot 950 °C voorverhit en daarna gestrangpers. Die gestrangperste stawe is weer eens in silindriese stukke gesny wat daarna in 'n groef tussen twee saamroterende walse ingedruk is. Die walse het teen verskillende omtreksnelhede gedraai en die gevolglike wrywingsverhitting het veroorsaak dat die silinders in die groef warmgesmee is. Dit is gevolg deur blussing in 'n oliebad om sodoende verdere oksidering te vermy. Op ongeveer hierdie tydstip is op grond van reaktorfisiese- en ingenieursoorwegings besef dat om effens verrykte eerder as natuurlike uraan te gebruik doeltreffender sou wees en dat om die maksimum ontwikkelvermoë vir 'n gegewe reaktorgrootte te behaal, nodig sou wees om kleiner uraanballe te gebruik om te verhoed dat die oppervlakspannings die maksimum treksterkte van uraan bereik. Dit wou voorkom asof 'n deursnit van 2,5 tot 3 mm die korrekte grootte sou wees. Vir die vervaardiging van sulke klein balletjies is 'n loodhad-metode getoets waarin gesmelte uraan in gesmelte sout gegiet word om dan onder die invloed van oppervlakspanningskragte tot 'n groot aantal klein balletjies te stol, maar het oor die algemeen swak resultate gelewer. Die metode is gevolglik ten gunste van 'n koudsmee-tegniek laat vaar. Hierdie ondersoeke het goeie sterk balletjies binne die voorgeskrewe toleransies gelewer en aangesien die afsny van lopers vir smeding geen probleme veroorsaak het nie, het alles daarop gedui dat, indien geskikte uraandraadgrondstof verkry kon word, balletjies volgens hierdie tegniek op 'n bevredigende wyse teen 'n redelike koste gemassaproduseer kan word.

Omdat dit wou voorkom asof uraankarbied ook moontlik 'n aantreklike brandstof vir PELINDUNA kon wees, is 'n ondersoek na die sintese en vervaardigingsvereistes daarvan onderneem, maar hoewel matrysuitpersing en sintering, plasmaboogsweising, die sol-jel-proses sowel as agglomerasietegnieke almal ondersoek is, kon geen bevredigende metode vir die massaproduksie van balletjies met 'n deursnee van 2 tot 3 mm ontwikkel word nie. Die gedrag van die brandstof met betrekking tot stralingskade en afmetingsvastheid is met 'n lus ondersoek wat in die handel beskikbaar was en wat so ontwerp was dat die bedryfstoestande waaraan die balletjies in 'n kragreaktor onderworpe sou wees, noukeurig in die hart van SAFARI-1 nageboots is. Volgens hierdie werk wou dit voorkom of die beperkings op die gebruik van uraanbrandstof in metaalvorm veel minder beperkend was as wat voorheen vermoed is, veral indien 'n bedryfstemperatuur van ongeveer 600 °C by redelike hoë drywingsdigthede bereik kon word. Hierdie gevolgtrekking is gemaak op grond van die verbasende ontdekking dat om uitswelling te verminderr, uraanmetaalbrandstof by temperature tussen 530 °C en 700 °C gehou moes word indien die drywingsdigtheid groter as 15 W/g is. Aangesien die ontwerp van PELINDUNA sodanig was dat daar regstreekse, deurlopende aanraking tussen die uraanbrandstof en die natriumkoelmiddel sou wees, moes die moontlikheid van korrosie van die brandstof deur die natrium in ag geneem word. Eksperimentele werk het bevestig dat die uraanmassa verminder het indien klein hoeveelhede suurstof in die natrium teenwoordig was, maar het ook aangedui dat die verband tussen hierdie verlies en die temperatuur onvoorspelbaar was. Daar is egter gelyktydig gevind dat 'n beskermende en klewende oksiedlaag by temperature bo 450 °C op die uraan gevorm het — 'n reaksie wat klaarblyklik van aansienlike waarde vir die onderdrukking van korrosie kon wees.

In der waarheid is aangetoon dat die suurstofkonsentrasie in die PELINDUNA-konsep onbelangriker was as in stelsels wat nie onbeklede uraan gebruik nie omdat die uraan self al die aanwesige suurstof fikseer sowel as enige suurstof wat in die stelsel mag inlek. Daar is dus besluit dat katastrofiese korrosie van die uraan nie 'n probleem vir hierdie konsep was nie.

Teen die einde van 1966 was voldoende gegewens oor die uitvoerbaarheid van brandstofvervaardiging, die stabiliteit van die metaalbrandstof en oor die relatiewe belangrikheid van brandstofkorrosie beskikbaar. Dit was toe moontlik om 'n betroubare totale waardepeiling van die konsep te maak. PELINDUNA het as reaktorstelsel klaarblyklik sekere treffende voordele gebied en dit was dus ironies dat sy grootste voordeel, naamlik die hoë spesifieke drywing wat na verwagting 100 W/g te bowe sou gaan, die oorsaak van twyfel was. Juis weens hierdie kenmerk, was die kleinste, doeltreffende reaktor wat natuurlike uraan as brandstof sou gebruik en die hoë spesifieke drywingspotensiaal ten volle sou benut, een met 'n elektriese drywing van ongeveer 1 000 MW.

Dit was destyds onwaarskynlik dat sodanige groot enkeleenheid binne die volgende 15 jaar in die Suid-Afrikaanse ontwikkelstelsel opgeneem sou word. Alhoewel die reaktor aansienlik verklein kon word deur uraan wat van 1 tot 2 % verryk is in plaas van natuurlike uraan as brandstof te gebruik, het Suid-Afrika destyds nie oor sy eie verrykingsgeriewe beskik nie. Gedagtig aan die doelstelling van onafhanklikheid van buitelandse brandstofvoorsiening vir energiedoeleindes sou sodanige stap geen voordele ingehou het nie.

Daar is verder geredeneer dat indien die kommersiële toepassing van die PELINDUNA-stelsel, gebaseer op natuurlike uraan, tot in die tagtigerjare uitgestel moes word, dit baie waarskynlik was dat dit dan met snelkweekreaktore sou moes meeding wat teen daardie tyd, so het dit voorgekom, moontlik'n gevorderde stadium van ontwikkeling sou bereik het en besig sou wees om krag ekonomies te ontwikkel.

Die betekenisvolste oorweging was egter waarskynlik die fenomenale sukses van die uraanverrykingsprojek. Sowel PELINDUNA as die verrykingsprojek het feitlik gelyktydig 'n stadium bereik waar die oprigting van 'n groot demonstrasie- of aanvooraanleg met baie ernstige finansiële implikasies vir elk as 'n volgende stap nodig was. Om twee sodanige projekte gelyktydig aan te pak, sou 'n las meebring wat die Republiek nie kon dra nie. Geen kompromis was moontlik nie — dit moes die een of die ander wees. 'n Waardebepaling van die internasionale uraanmark het 'n naderende tekort van redelik goedkoop uraan voorspel. Dit sou onvermydelik tot 'n uitbreidende en mededingende mark lei wat daarop gedui het dat die Republiek se belange die beste deur 'n kanalisering van die beskikbare navorsingspoging na 'n uitgebreide brandstofontwikkelingsprogram gedien kon word. 'n Moeilike, maar ryp besluit is geneem om die ontwikkeling van Suid-Afrika se kragreaktorkonsep te staak, wat agternagesien, die korrekte was. Die nie-tegniese en inheemse betekenis van die woord PELINDUNA het werklikheid geword. Wat beteken die woord eintlik? `Die hoofman is klaar, die hoofman is dood' (van pelile induna).

Alhoewel sommige ontwikkelingsrigtings nog 'n tyd lank aandag gekry het, het die projek toe stadig tot stilstand gekom. Daar is met die bestudering van sekere fasette van natriumtegnologie voortgegaan omdat geredeneer is dat dit van waarde mag wees wanneer die snelkweekreaktor kommersiële rypheid bereik. Ondersoeke van die kritieke opstelling en met die warm- en brandstofbestralingslusse is tot 'n logiese einde gevoer.

Hoewel dit vandag nie denkbaar is dat 'n kragsentrale volgens die PELINDUNA-konsep in sy oorspronklike vorm in Suid-Afrika gebou sal word nie, was die jare van navorsing en ontwikkeling wat aan die projek bestee is nie verlore nie en is daar 'n groot stap nader aan die ideaal van kernenergie in Suid-Afrika gegee. Die doelstelling om 'n skatkamer van kerndeskundigheid daar te stel, is bereik. Hierdie manne was in staat om met verdere navorsing daardie ideaal te bereik.  En dit was moontlik om 'n treffende spangees te skep wat, ten spyte van die trauma van die projek se einde, 'n kenmerk van Pelindaba was tot dit ook deur politieke oorwegings tot 'n einde gebring is. Namate die herinneringe aan PELINDUNA wegsterf, benadruk die volgende woorde van dr Grant die voortdurende voordele van sy span se inspanning: `Die buigsame ontwerp van PELINDUNA het sommige van die mees gevorderde en progressiewe tegnieke in kernkragontwikkeling bevat. Ons het veel daaruit geleer wat nooit verlore moet gaan nie. Dit het ons in staat gestel om 'n geweldige kernkragtegnologiese stap vorentoe te doen'.

Vervolg...