Водный гомогенный реактор

Водный гомогенный реактор в Окриджской национальной лаборатории

Водные гомогенные реакторы (AHR) представляют собой тип ядерных реакторов, в которых растворимые ядерные соли (обычно сульфат урана или нитрат урана ) растворены в воде. Топливо смешивается с охлаждающей жидкостью и замедлителем , отсюда и название «гомогенная» («в одном физическом состоянии»). Вода может быть тяжелой или обычной (легкой) водой , обе из которых должны быть очень чистыми.

Их особенности самоконтроля и способность справляться с очень большим увеличением реактивности делают их уникальными среди реакторов и, возможно, самыми безопасными. В Санта-Сусане , штат Калифорния , Atomics International провела серию тестов под названием «Эксперименты с кинетической энергией» . В конце 1940-х управляющие стержни были нагружены пружинами и затем за миллисекунды выброшены из реактора. Мощность реактора выросла с ~ 100 Вт до более ~ 1 000 000 Вт без каких-либо проблем.

Водные гомогенные реакторы иногда называли «водогрейными котлами» (не путать с реакторами с кипящей водой ), поскольку вода внутри кажется кипящей, хотя на самом деле образование пузырьков происходит из-за производства водорода и кислорода, поскольку частицы излучения и деления диссоциируют в воде. на составляющие его газы, этот процесс называется радиолизом . AHR широко использовались в качестве исследовательских реакторов, поскольку они саморегулируются, имеют очень высокие потоки нейтронов и просты в управлении. По состоянию на апрель 2006 г., согласно базе данных исследовательских реакторов, работало только пять AHR. ^[1]

Проблемы коррозии, связанные с растворами на основе сульфатов, ограничивают их применение в качестве воспроизводящих топлива урана-233 из тория . В современных конструкциях используются растворы основания азотной кислоты (например, уранилнитрат ), что устраняет большинство этих проблем в нержавеющих сталях.

История [ править ]

Первые исследования гомогенных реакторов проводились ближе к концу Второй мировой войны . Химикам было больно видеть точно изготовленные твердотопливные элементы гетерогенных реакторов, в конечном итоге растворенные в кислотах для удаления продуктов деления - «золы» ядерной реакции . Инженеры-химики надеялись разработать реакторы на жидком топливе, которые позволят обойтись без дорогостоящего разрушения и обработки твердых топливных элементов. Однако образование пузырьков газа в жидком топливе и коррозионное воздействие на материалы (в растворах на основе уранилсульфата ) представляют собой серьезные проблемы с дизайном и материалами.

Энрико Ферми выступал за строительство в Лос-Аламосе того, что должно было стать третьим в мире реактором, первым гомогенным реактором на жидком топливе и первым реактором, работающим на уране, обогащенном ураном-235. В итоге были построены три версии, основанные на одной концепции. В целях безопасности эти реакторы получили кодовое название «водогрейные котлы». Название было подходящим, потому что в версиях с более высокой мощностью топливный раствор, казалось, кипел, поскольку пузырьки водорода и кислорода образовывались в результате разложения водного растворителя энергетическими продуктами деления, процесс, называемый радиолизом .

Реактор был назван LOPO (низкая мощность), потому что его выходная мощность была практически нулевой. LOPO служил целям, для которых он был предназначен: определение критической массы простой конфигурации топлива и испытание новой концепции реактора. LOPO достигла критичности в мае 1944 года после последнего добавления обогащенного урана . Сам Энрико Ферми был за штурвалом. LOPO демонтировали, чтобы освободить место для второго водогрейного котла, который мог работать на уровнях мощности до 5,5 киловатт. Названный HYPO (для высокой мощности), эта версия использовала раствор уранилнитрата в качестве топлива, тогда как в более раннем устройстве использовался обогащенный уранилсульфат.. Этот реактор был введен в эксплуатацию в декабре 1944 года. Многие ключевые нейтронные измерения, необходимые при разработке первых атомных бомб, были выполнены с помощью HYPO. К 1950 году были желательны более высокие нейтронные потоки , поэтому в HYPO были внесены значительные изменения, позволяющие работать на уровнях мощности до 35 киловатт. Этот реактор, конечно же, назывался СУПО . SUPO эксплуатировалась почти ежедневно, пока не была отключена в 1974 году.

В 1952 году в Лос-Аламосе были проведены две серии критических экспериментов с тяжелыми водными растворами обогащенного урана в виде фторида уранила, чтобы поддержать идею Эдварда Теллера о конструкции оружия. К тому времени, когда эксперименты были завершены, Теллер потерял интерес, однако результаты затем были применены для улучшения более ранних реакторов. В одной серии экспериментов раствор находился в резервуарах диаметром 25 и 30 дюймов (640 и 760 мм) без окружающего отражателя. Высота раствора была доведена до критичности с помощью растворов D ₂ O на D / ^235.Атомные отношения U 1: 230 и 1: 419 в меньшем резервуаре и от 1: 856 до 1: 2081 в большом резервуаре. В другом наборе экспериментов сферы раствора центрировали в сферическом контейнере диаметром 35 дюймов (890 мм), в который закачивали D ₂ O из резервуара в основании. Критичность была достигнута в шести сферах раствора диаметром от 13,5 до 18,5 дюймов при атомных отношениях D / ²³⁵ U от 1:34 до 1: 431. По завершении эксперимента это оборудование также было списано.

Однородный реакторный эксперимент [ править ]

Первый водный гомогенный реактор, построенный в Национальной лаборатории Ок-Ридж, стал критическим в октябре 1952 года. Проектный уровень мощности в один мегаватт (МВт) был достигнут в феврале 1953 года. Пар высокого давления реактора вращал небольшую турбину, которая вырабатывала 150 киловатт (кВт) энергии. электричество , достижение, за которое ее операторы получили почетное звание «Энергетическая компания Ок-Ридж». Однако AEC была привержена разработке реакторов на твердом топливе, охлаждаемых водой, и лабораторные демонстрации других типов реакторов, независимо от их успеха, не изменили ее курса.

KEMA Suspensie Test Reactor [ править ]

С 1974 по 1979 г. КЕМ ( К EURING ван Х lektrotechnische М aterialen rnhem) работают водный однородный реактор, названный КЕМ Suspensie испытания реактор (KSTR) на их месте в Арнеме в Нидерландах . Реактор был построен в сотрудничестве с экспертами из ORNL (Национальная лаборатория Окриджа) из-за их опыта в эксперименте с гомогенным реактором. Реактор состоял из корпуса реактора (ø310 мм, объем 18,3 литра), изготовленного Werkspoor в Утрехте. Топливо представляло собой смесь 14% UO ₂ (высокообогащенного, 90% ²³⁵ U) и 86% ThO _2.в концентрации 400 г / л. Урана (6766 г, содержащий 6082 грамм ²³⁵ U) была поставлена NUKEM. Топливные зерна (ø 5 мкм) были разработаны KEMA с помощью уникального так называемого золь-гель процесса, который также привлек внимание промышленности. Реактор работал при температуре 255 ° C (491 ° F; 528 K), давлении 60 бар (6000 кПа) и максимальной мощности 1000 кВт (1300 л.с.).

Реактор АРГУС [ править ]

Экологически чистые и экономически конкурентоспособные технологии производства радиоактивных изотопов разрабатываются в Курчатовском институте в СССР на базе реактора АРГУС - водного гомогенного мини-реактора. В СССР планировали построить серию таких ректоров, однако построили только два. Один в Курчатовском институте, второй был построен в конце 80-х годов в Душанбе, Таджикская ССР , но не был введен в эксплуатацию из-за распада Советского Союза .

В 2017 году правительство Таджикистана приступило к реконструкции и ремонту ^[2] реактора для производства изотопного молибдена-99 в первую очередь для медицинских нужд.

Реактор Курчатовского института тепловой мощностью 20 кВт находится в эксплуатации с 1981 г. и показал высокие показатели эффективности и безопасности. В настоящее время ведутся технико-экономические обоснования разработки технологий производства стронция-89 и молибдена-99 в этом реакторе. Анализ произведенных изотопов, проведенный в Национальном институте радиоактивных элементов в Бельгии., показал, что образцы Мо-99, производимые на АРГУС, характеризуются чрезвычайной радиохимической чистотой, т.е. содержание примесей в них ниже допустимых пределов на 2–4 порядка. Среди радиоактивных медицинских изотопов широко распространены Mo-99 и Sr-89. Первый - это сырье для производства технеция- 99m, радиофармацевтического препарата для диагностики онкологических , кардиологических , урологических и других заболеваний. Ежегодно в Европе этим изотопом обследуется более 6 миллионов человек .

Производство тс-99м [ править ]

Возможность извлекать медицинские изотопы непосредственно из поточного топлива вызвала возобновление интереса к водным гомогенным реакторам, основанным на этой конструкции. ^[3] BWX Technologies (ранее Babcock & Wilcox ) предложила водный гомогенный реактор для производства Tc-99m. ^[4]

Другое исследование [ править ]

Использование водного гомогенного ядерного реактора деления для одновременного производства водорода путем радиолиза воды и технологического производства тепла было изучено в Мичиганском университете в Анн-Арборе в 1975 году. Несколько небольших исследовательских проектов продолжают это направление исследований в Европе.

Atomics International спроектировала и построила ряд ядерных реакторов малой мощности (от 5 до 50 000 Вт) для исследовательских, учебных целей и производства изотопов. Одна модель реактора, L-54, была куплена и установлена ​​рядом университетов США и зарубежных исследовательских институтов, включая Японию. ^[5]

См. Также [ править ]

• Реактор с расплавленной солью
• Ядерное деление
• Ядерный кризис
• Атомная электростанция
• Атомная энергия
• Ядерный реактор
• Ядерная ракета с морской водой
• Ядерные отходы

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• «Реакторы на жидком топливе», 1958 г.
• Однородные реакторные эксперименты
• ORNL Review FFR, глава 1
• Реактор раствора для лабораторных анализов ядерной физики и методов контроля
• История критических экспериментов на сайте Пахарито
• О возможности производства Мо-99 и Sr-89
• Обзор ORNL, глава 4
• SUPO гомогенный реактор на водной основе
• Ядерные реакторы с гомогенным водным раствором для производства Mo-99 и других короткоживущих радиоистотопов (IAEA TECDOC 1601)