Водный гомогенный реактор

Водные гомогенные реакторы (AHR) представляют собой двух (2) камерный реактор, состоящий из внутренней реакторной камеры и внешней камеры с рубашкой охлаждения и замедления. Это тип ядерного реактора , в котором растворимые ядерные соли (обычно сульфат урана или нитрат урана ) растворяются в воде. Топливо смешивается с тяжелой или легкой водой, которая частично смягчает и охлаждает реактор. Внешний слой реактора содержит больше воды, которая также частично охлаждается и действует как замедлитель . Вода может быть либо тяжелой, либо обычной (легкой) водой , которая замедляет нейтроны и помогает обеспечить стабильную реакцию, причем обе воды должны быть очень чистыми.

Их свойства самоконтроля и способность выдерживать очень большие увеличения реактивности делают их уникальными среди реакторов и, возможно, самыми безопасными. В Санта-Сусане , штат Калифорния , компания Atomics International провела серию испытаний под названием «Эксперименты по кинетической энергии» . В конце 1940-х годов стержни управления устанавливались на пружины, а затем за миллисекунды выбрасывались из реактора. Мощность реактора выросла с ~100 Вт до более чем ~1 000 000 Вт, при этом никаких проблем не наблюдалось.

Водные гомогенные реакторы иногда называли «водяными котлами» (не путать с реакторами с кипящей водой ), поскольку вода внутри кажется кипящей, хотя на самом деле пузырьки происходят из-за образования водорода и кислорода , поскольку радиация и частицы деления диссоциируют воду. на составляющие его газы — процесс, называемый 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 Research Reactor, работало только пять AHR. ^[1]

Проблемы коррозии, связанные с растворами сульфатных оснований, ограничивали их применение в качестве бридеров из урана-233 топлива из тория . В современных конструкциях используются растворы азотной кислоты (например, нитрат уранила ), что устраняет большинство этих проблем с нержавеющими сталями.

История

Первые исследования гомогенных реакторов проводились ближе к концу Второй мировой войны . Химикам было больно видеть, как точно изготовленные твердотопливные элементы гетерогенных реакторов в конечном итоге растворяются в кислотах для удаления продуктов деления — «пепла» ядерной реакции . Инженеры-химики надеялись создать жидкотопливные реакторы, которые позволили бы обойтись без дорогостоящего разрушения и переработки твердотопливных элементов. Однако образование газовых пузырьков в жидком топливе и коррозионное воздействие на материалы (в растворах на основе сульфата уранила ) представляли собой серьезные проблемы при проектировании и выборе материалов.

Энрико Ферми выступал за строительство в Лос-Аламосе третьего в мире реактора, первого реактора на гомогенном жидком топливе и первого реактора, работающего на уране, обогащенном ураном-235. В конечном итоге были построены три версии, основанные на одной и той же концепции. В целях безопасности этим реакторам было присвоено кодовое название «водяные 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 энергичными продуктами деления - процесс, называемый радиолизом .

Реактор получил название ЛОПО (малая мощность), поскольку его выходная мощность была практически нулевой. LOPO служил целям, для которых он был предназначен: определение критической массы простой топливной конфигурации и тестирование новой концепции реактора. LOPO достигла критичности в мае 1944 года после последнего добавления обогащенного урана . За штурвалом находился сам Энрико Ферми. LOPO был демонтирован, чтобы освободить место для второго водогрейного котла, который мог работать на мощности до 5,5 киловатт. В этой версии, получившей название HYPO (в честь высокой мощности), в качестве топлива использовался раствор нитрата уранила , тогда как в более раннем устройстве использовался обогащенный сульфат уранила . Этот реактор вступил в строй в декабре 1944 года. Многие ключевые нейтронные измерения, необходимые при проектировании первых атомных бомб, были выполнены с помощью HYPO. К 1950 году стали желательны более высокие нейтронные потоки , поэтому в HYPO были внесены обширные модификации, позволяющие работать на уровнях мощности до 35 киловатт. Этот реактор, естественно, получил название SUPO . СУПО работало почти ежедневно до его деактивации 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. Высоту раствора доводили до критичности растворами D ₂ O при D/ ²³⁵Атомные соотношения U составляют 1:230 и 1:419 в меньшем резервуаре и от 1:856 до 1:2081 в большом резервуаре. В другой серии экспериментов сферы раствора были сосредоточены в сферическом контейнере диаметром 35 дюймов (890 мм), в который _{D 2} закачивали O из резервуара у основания. Критичность была достигнута в шести сферах раствора диаметром от 13,5 до 18,5 дюймов при D/ ²³⁵Атомные соотношения U от 1:34 до 1:431. По завершении эксперимента и это оборудование было выведено из эксплуатации.

Эксперимент с гомогенным реактором

Первый водный гомогенный реактор, построенный в Ок-Риджской национальной лаборатории, достиг критического уровня 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) электроэнергии. электричества , и это достижение принесло его операторам почетное звание «Ок-Риджская энергетическая компания». Однако AEC была привержена разработке твердотопливных реакторов с водяным охлаждением, и лабораторные демонстрации других типов реакторов, независимо от их успеха, не изменили ее курса.

Реактор для испытаний подвески KEMA

С 1974 по 1979 год компания KEMA ( K euring van Elektrotechnische Materialen (KSTR) на в A ) эксплуатировала водный гомогенный реактор под названием KEMA Suspensie Test Reactor своей площадке в Арнеме Нидерландах rnhem . Реактор был построен в сотрудничестве со специалистами ORNL (Ок-Риджская национальная лаборатория) благодаря их опыту проведения эксперимента с гомогенным реактором. Реактор состоял из корпуса реактора (диаметром 310 мм, объемом 18,3 литра), изготовленного фирмой Werkspoor в Утрехте. Топливо представляло собой смесь 14% UO ₂ (высокообогащенная, 90% ²³⁵U) и 86% ThO ₂ в концентрации 400 г/л. Уран (6766 грамм , содержащий 6082 грамма ²³⁵U) был доставлен компанией NUKEM. Топливные зерна (ø 5 мкм) были разработаны компанией KEMA с помощью уникального так называемого золь-гель процесса, который также привлек внимание отрасли. Реактор работал при температуре 255 ° C (491 ° F; 528 К), давлении 60 бар (6000 кПа) и максимальной мощности 1000 кВт (1300 л.с.).

Реактор АРГУС

Экологически чистые и экономически конкурентоспособные технологии производства радиоактивных изотопов разрабатывались в Курчатовском институте в СССР на базе реактора АРГУС – водного гомогенного мини-реактора. СССР планировал построить серию ректоров такого типа, однако построено только два: один в Курчатовском институте , а второй построен в конце 80-х годов в Душанбе Таджикской ССР . Однако они не были введены в эксплуатацию из-за распада Советского Союза .

В 2017 году правительство Таджикистана приступило к реконструкции и ремонту. ^[2] свой реактор по производству молибдена-99 в первую очередь для медицинских целей.

Реактор Курчатовского института тепловой мощностью 20 кВт работает с 1981 года и показал высокие показатели эффективности и безопасности. технико-экономическое обоснование разработки технологий производства стронция-89 и молибдена-99 В настоящее время ведется в этом реакторе. Анализ полученных изотопов, проведенный в Национальном институте радиоактивных элементов Бельгии , показал, что образцы Mo-99 , произведенные в ARGUS, характеризуются предельной 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. Первое — сырье для производства технеция -99м — радиофармацевтического препарата для диагностики онкологических , кардиологических , урологических и других заболеваний. этим изотопом обследуются более 6 миллионов человек Ежегодно в Европе .

Производство ТЦ-99М

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]

Другие исследования

Использование водного гомогенного реактора ядерного деления для одновременного производства водорода воды путем радиолиза и производства технологического тепла изучалось 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 (тепловая мощность от 5 до 50 000 Вт) для исследовательских, учебных целей и целей производства изотопов. Одна модель реактора L-54 была приобретена и установлена рядом университетов США и зарубежных исследовательских институтов, включая Японию. ^[5]

См. также

Ссылки

^ МАГАТЭ
^ "Таджикистан восстановит и запустит ядерный реактор "Аргус" " . 14 January 2016.
^ Текущий статус использования НОУ в водных реакторах для производства Mo-99.
^ Изготовление молибдена
^ Паркинс, МЫ; и др. (19 марта 1958 г.). Исследовательские реакторы водного гомогенного типа (PDF) . Вторая Международная конференция ООН по мирному использованию атомной энергии. дои : 10.2172/4315502 .

Внешние ссылки

[1] МАГАТЭ

[2] "Таджикистан восстановит и запустит ядерный реактор "Аргус" " . 14 January 2016.

[leu_mo99-3] Текущий статус использования НОУ в водных реакторах для производства Mo-99.

[4] Изготовление молибдена

[5] Паркинс, МЫ; и др. (19 марта 1958 г.). Исследовательские реакторы водного гомогенного типа (PDF) . Вторая Международная конференция ООН по мирному использованию атомной энергии. дои : 10.2172/4315502 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]