Ядерный графит
Ядерный графит – это любой сорт графита , обычно синтетический графит , изготовленный для использования в качестве замедлителя или отражателя в ядерном реакторе . Графит является важным материалом для строительства как исторических, так и современных ядерных реакторов из-за его исключительной чистоты и способности выдерживать чрезвычайно высокие температуры.
История [ править ]
Ядерное деление , возникновение цепной ядерной реакции в уране , было открыто в 1939 году после экспериментов Отто Хана и Фрица Штрассмана и интерпретации их результатов такими физиками, как Лиза Мейтнер и Отто Фриш . [1] [2] Вскоре после этого слухи об открытии распространились по всему международному физическому сообществу.
Чтобы процесс деления шел по цепной реакции, нейтроны, образующиеся при делении урана, должны быть замедлены путем взаимодействия с замедлителем нейтронов (элементом с низким атомным весом, который будет «отскакивать» при ударе нейтрона), прежде чем они начнут быть захвачен другими атомами урана. К концу 1939 года стало общеизвестно, что тяжелую воду в качестве замедлителя можно использовать . Графит был отвергнут немцами как возможный замедлитель, поскольку он содержал бор в качестве примеси. Однако в начале 1940-х годов в США был разработан графит достаточно высокой чистоты, который затем использовался в первом и последующих ядерных реакторах Манхэттенского проекта . [3]
В феврале 1940 года, используя средства, которые были выделены частично в результате письма Эйнштейна-Сциларда президенту Рузвельту, Лео Сцилард приобрел несколько тонн графита у компаний Speer Carbon и National Carbon Company (Национальное углеродное подразделение Union Carbide). и Carbon Corporation в Кливленде, штат Огайо) для использования в первых экспериментах Энрико Ферми по расщеплению, так называемая экспоненциальная батарея. [4] : 190 Ферми пишет, что «результаты этого эксперимента были [sic] несколько обескураживающими». [5] предположительно из-за поглощения нейтронов какой-то неизвестной примесью. [6] : 40 Итак, в декабре 1940 года Ферми и Сцилард встретились с Гербертом Г. Макферсоном и В. К. Хамистером в National Carbon, чтобы обсудить возможное существование примесей в графите. [7] : 143 В ходе этого разговора стало ясно, что источником проблемы были незначительные количества примесей бора. [3] [8]
В результате этой встречи в течение следующих двух лет Макферсон и Хамистер разработали в компании National Carbon методы термической и газоэкстракционной очистки для производства графита, не содержащего бора. [8] [9] Полученный продукт получил от National Carbon обозначение AGOT Graphite («Обычная температура графита Ачесона»), и это был «первый настоящий графит ядерного качества». [10]
В течение этого периода Ферми и Сцилард закупили графит у нескольких производителей с различной степенью поглощения нейтронов сечения : графит AGX от National Carbon Company с поперечным сечением 6,68 мб (миллибарны), графит США от United States Graphite Company с поперечным сечением 6,38 мб, Speer графит от Speer Carbon Company с поперечным сечением 5,51 мб, а когда он стал доступен, графит AGOT от National Carbon с поперечным сечением 4,97 мб. [6] : 178 [11] : 4 [12] К ноябрю 1942 года компания National Carbon отправила 250 тонн графита AGOT в Чикагский университет. [4] : 200 где он стал основным источником графита, который будет использоваться при строительстве Чикагского реактора Ферми-1 , первого ядерного реактора, способного генерировать устойчивую цепную реакцию (2 декабря 1942 года). [6] : 295 В начале 1943 года графит AGOT был использован для строительства графитового реактора X-10 на заводе Clinton Engineer Works в Теннесси и первых реакторов на Хэнфордской площадке в Вашингтоне. [11] : 5 для производства плутония во время и после Второй мировой войны. [8] [10] Процесс AGOT и его более поздние усовершенствования стали стандартными методами производства ядерного графита. [11]
Нейтронное сечение графита исследовали во время Второй мировой войны в Германии Вальтер Боте , П. Йенсен и Вернер Гейзенберг . Самым чистым графитом, доступным им, был продукт компании Siemens Plania, показавший сечение поглощения нейтронов около 6,4 мб. [13] : 370 до 7,5 мб. [14] Поэтому Гейзенберг решил, что графит непригоден в качестве замедлителя в конструкции реактора, использующего природный уран . [3] [13] [15] Следовательно, немецкие усилия по созданию цепной реакции включали попытки использовать тяжелую воду , дорогую и дефицитную альтернативу, которую стало еще труднее приобрести из-за саботажа тяжелой воды норвежскими и союзными войсками. Еще в 1947 году Гейзенберг еще не понимал, что единственной проблемой графита является примесь бора. [15]
Графит также недавно использовался в термоядерных реакторах, таких как Wendelstein 7-X . Согласно экспериментам, опубликованным в 2019 году, графит в элементах стенки стелларатора и диверторе графитового острова значительно улучшил характеристики плазмы внутри устройства, обеспечивая лучший контроль над примесями и тепловым выхлопом, а также длительные разряды высокой плотности. [16]
Эффект Вигнера [ править ]
В декабре 1942 года Юджин Вигнер предложил [17] что нейтронная бомбардировка может привести к дислокациям и другим повреждениям в молекулярной структуре материалов, таких как графитовый замедлитель в ядерном реакторе. Возникающее в результате накопление энергии в материале стало предметом беспокойства. [10] : 5 Было высказано предположение, что графитовые стержни могут сливаться вместе, образуя химические связи на поверхности стержней при открытии и повторном закрытии. Нельзя исключать даже возможность того, что графитовые детали могут очень быстро расколоться на мелкие кусочки. Однако первые энергетические реакторы (графитовый реактор Х-10 и реактор Хэнфорд Б ) пришлось строить без таких знаний. Циклотронам , которые были единственными быстрых нейтронов доступными источниками , потребовалось бы несколько месяцев, чтобы произвести нейтронное облучение, эквивалентное одному дню в реакторе B.
Это стало отправной точкой для крупномасштабных исследовательских программ по изучению изменений свойств под воздействием излучения быстрых частиц и прогнозированию их влияния на безопасность и срок службы графитовых реакторов, которые будут построены. Влияние свойств материалов, излучающих быстрые нейтроны, наблюдалось много раз и во многих странах после того, как были получены первые результаты на графитовом реакторе Х-10 в 1944 году.
Конкретные изменения графита при облучении включают:
- Изменение размеров ( усадка и нейтронное набухание , а также возможное упрочнение)
- Изменение модуля упругости (измеряется методом импульсного возбуждения )
- Изменение коэффициента теплового расширения
- Изменение теплопроводности
- Изменение удельного электрического сопротивления
- , вызванная облучением Ползучесть
Поскольку состояние ядерного графита в активных реакторах можно определить только во время плановых проверок, важно примерно каждые 18 месяцев проводить математическое моделирование ядерного графита по мере приближения к концу его срока службы. Однако, поскольку можно контролировать только поверхностные элементы и точное время изменений неизвестно, моделирование надежности особенно сложно. [18] Хотя катастрофического поведения, такого как плавление или разрушение кусков графита, никогда не происходило, в результате облучения быстрыми нейтронами действительно происходят большие изменения во многих свойствах, которые необходимо учитывать при проектировании графитовых компонентов ядерных реакторов. Хотя не все эффекты еще хорошо изучены, более 100 графитовых реакторов успешно работали на протяжении десятилетий, начиная с 1940-х годов. В 2010-х годах сбор новых данных о свойствах материалов значительно улучшил знания. [19] [20]
Производство [ править ]
Реакторный графит не должен содержать материалов, поглощающих нейтроны, особенно бора, который имеет большое сечение захвата нейтронов. Источники бора в графите включают сырье, упаковочные материалы, используемые при выпечке продукта, и даже выбор мыла (например, буры), используемого для стирки одежды, которую носят рабочие в механическом цехе. [11] : 80 Концентрация бора в термически очищенном графите (например, графите AGOT) может составлять менее 0,4 ppm. [11] : 81 а в химически очищенном ядерном графите - менее 0,06 ppm. [11] : 47
Ядерный графит для британских реакторов Magnox был изготовлен из нефтяного кокса , смешанного с угольным связующим пеком, нагретого и экструдированного в заготовки, а затем обожженного при 1000 ° C в течение нескольких дней. Для уменьшения пористости и увеличения плотности заготовки пропитывали каменноугольной смолой при высокой температуре и давлении перед окончательным обжигом при 2800 °С. Затем отдельным заготовкам придавались окончательные необходимые формы. [21]
в реакторах с графитовым замедлителем Аварии
На реакторах с графитовым замедлителем произошли две крупные аварии: пожар в Виндскейле и чернобыльская катастрофа .
При пожаре в Виндскейле использовался непроверенный процесс отжига графита, который вызвал перегрев неконтролируемых участков активной зоны и привел непосредственно к возгоранию. Материалом, который загорелся, были канистры с металлическим урановым топливом внутри реактора. Когда пожар был потушен, выяснилось, что единственными участками графитового замедлителя, получившими термическое повреждение, были те, которые находились рядом с горящими топливными канистрами. [22] [23]
В Чернобыльской катастрофе модератор не нес ответственности за основное событие. Вместо этого резкий скачок мощности (усугубленный высоким положительным коэффициентом пустотности РБМК в том виде, в котором он был спроектирован и использовался в то время) во время неправильно проведенного испытания привел к катастрофическому отказу корпуса реактора и почти полной потере подачи теплоносителя. В результате топливные стержни быстро расплавились и слились вместе, находясь в состоянии чрезвычайно высокой мощности, в результате чего небольшая часть активной зоны достигла состояния неконтролируемой мгновенной критичности и привело к огромному выделению энергии. [24] что привело к взрыву активной зоны реактора и разрушению реакторного здания. Массивное выделение энергии во время первичного события привело к перегреву графитового замедлителя, а разрушение корпуса и здания реактора позволило перегретому графиту вступить в контакт с атмосферным кислородом. В результате графитовый замедлитель загорелся, вызвав шлейф высокорадиоактивных осадков в атмосферу и на очень обширную территорию. [25]
Ссылки [ править ]
- ^ Робертс, РБ; Койпер, Дж.Б.Х. (1939), «Уран и атомная энергия», Журнал прикладной физики , 10 (9): 612–614, Бибкод : 1939JAP....10..612R , doi : 10.1063/1.1707351
- ^ «Манхэттенский проект: открытие деления, 1938-1939» . www.osti.gov . Проверено 1 декабря 2022 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Бете, Ганс (2000), «Немецкий урановый проект», Physics Today , 53 (7), Американский институт физики: 34–36, Бибкод : 2000PhT....53g..34B , doi : 10.1063/1.1292473
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Сальветти, Карло (2001). «Груда Ферми» . В Дж. Бернардини и Л. Бонолисе (ред.). Энрико Ферми: Его работа и наследие . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer Verlag. стр. 177–203 . ISBN 3540221417 .
- ^ Ферми, Энрико (1946), «Разработка первой цепной реагирующей сваи», Труды Американского философского общества , 90 (1): 2024
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Ферми, Энрико (1965). Сборник статей . Том. 2. Издательство Чикагского университета.
- ^ Сцилард, Гертруда; Уэрт, Спенсер (1978). Лео Сцилард: Его версия фактов . Том. II. МТИ Пресс. ISBN 0262191687 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Вайнберг, Элвин (1994), «Герберт Г. Макферсон» , «Memorial Tributes» , том. 7, Национальная инженерная академия, стр. 143–147, doi : 10.17226/4779 , ISBN. 978-0-309-05146-0
- ^ Карри, LM; Хамистер, ВК; Макферсон, Х.Г. (1955). Производство и свойства графита для реакторов . Национальная углеродная компания.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Эзерли, WP (1981), «Ядерный графит - первые годы», Journal of Nuclear Materials , 100 (1–3): 55–63, Бибкод : 1981JNuM..100...55E , doi : 10.1016/0022-3115 (81)90519-5
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж Найтингейл, RE (1962). Ядерный графит . Отдел технической информации Комиссии по атомной энергии США. Академическая пресса. ISBN 0125190506 .
- ^ Хааг, Г. 2005, Свойства графита ATR-2E и изменения свойств вследствие облучения быстрыми нейтронами, FZ-Juelich, Juel-4813.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Хентшель, Клаус (ред.); Хентшель, Энн М. (переводчик) (1996), «Документ 115», Физика и национал-социализм: антология первоисточников (английский перевод Гейзенберга, 1947), Birkhäuser, стр. 361–379, ISBN 978-3-0348-0202-4
{{citation}}:|first1=имеет общее имя ( справка ) - ^ Хааг, 2005.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Гейзенберг, Вернер (16 августа 1947 г.), «Исследования в Германии по техническому применению атомной энергии», Nature , 160 (4059): 211–215, Бибкод : 1947Natur.160..211H , doi : 10.1038/160211a0 , PMID 20256200 , S2CID 4077785
- ^ Клингер, Т.; и др. (2019). «Обзор первой высокопроизводительной операции Wendelstein 7-X» . Ядерный синтез . 59 (11): 112004. Бибкод : 2019NucFu..59k2004K . дои : 10.1088/1741-4326/ab03a7 . HDL : 2434/653115 .
- ^ Ферми, Энрико (1942), «Отчет за месяц, закончившийся 15 декабря 1942 года, физический отдел», отчет Комиссии по атомной энергии США CP-387
- ^ Филип Мол; Питер Робинсон; Дженни Беррованд; Алекс Бонд (июнь 2017 г.). «Крекинг ядерного графита» (PDF) . Математика сегодня . Проверено 10 марта 2019 г.
- ^ Арреги Мена, доктор юридических наук; и др. (2016). «Пространственная изменчивость механических свойств Gilsocarbon» (PDF) . Карбон . 110 : 497–517. doi : 10.1016/j.carbon.2016.09.051 . S2CID 137890948 .
- ^ Арреги Мена, доктор юридических наук; и др. (2018). «Характеристика пространственной изменчивости свойств материалов Gilsocarbon и NBG-18 с использованием случайных полей» (PDF) . Журнал ядерных материалов . 511 : 91–108. Бибкод : 2018JNuM..511...91A . дои : 10.1016/j.jnucmat.2018.09.008 . S2CID 105291655 .
- ^ Гарет Б. Нейбор (2007). Управление старением графитовых активных зон реакторов . Королевское химическое общество. ISBN 978-0-85404-345-3 . Проверено 15 июня 2009 г.
- ^ «Встреча RG2 с командой проекта по выводу из эксплуатации блока 1 Виндскейл» (PDF) . Консультативный комитет по ядерной безопасности. 29 сентября 2005 г. NuSAC(2005)П 18 . Проверено 26 ноября 2008 г.
- ^ Марсден, Би Джей; Престон, Южная Дакота; Уикхэм, Эй-Джей (8–10 сентября 1997 г.). «Оценка проблем безопасности графита для британских производственных свай в Виндскейле]» . Технология АЭА . МАГАТЭ. МАГАТЭ-TECDOC—1043. Архивировано из оригинала 12 октября 2008 года . Проверено 13 ноября 2010 г.
- ^ Пахомов Сергей А.; Дубасов, Юрий В. (2009). «Оценка энерговыделения взрыва при аварии на Чернобыльской АЭС» . Чистая и прикладная геофизика . 167 (4–5): 575. Бибкод : 2010PApGe.167..575P . дои : 10.1007/s00024-009-0029-9 .
- ^ «Часто задаваемые вопросы о Чернобыле» . Международное агентство по атомной энергии – Отдел общественной информации. Май 2005 г. Архивировано из оригинала 23 февраля 2011 г. Проверено 23 марта 2011 г.
Внешние ссылки [ править ]
- Производство и производство графита , База знаний МАГАТЭ по ядерному графиту
- Поведение графита под облучением , База знаний МАГАТЭ по ядерному графиту