Клементина (ядерный реактор)
Клементина — кодовое название первого в мире реактора на быстрых нейтронах , также известного как реактор быстрого плутония в Лос-Аламосе . Это был реактор экспериментального масштаба. Максимальная мощность составляла 25 кВт, работала на плутонии и охлаждалась жидкой ртутью . Клементина находилась в Лос-Аламосской национальной лаборатории в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико . Клементина была спроектирована и построена в 1945–1946 годах и впервые достигла критичности в 1946 году. [1] [2] и полная мощность в марте 1949 года. [3] Реактор был назван в честь песни « Oh My Darling, Clementine ». Сходство с песней заключалось в том, что реактор был расположен в глубоком каньоне, а операторы реактора были 49-летними, поскольку 49 (последние цифры элемента 94, изотопа 239) было одним из кодовых названий плутония в то время. [4]
Основной целью Клементины было определение ядерных свойств материалов для исследований ядерного оружия после Манхэттенского проекта . На реакторе был проведен ряд других экспериментов, включая исследование возможности создания гражданских реакторов-размножителей и измерение нейтронных сечений различных материалов.
Основная конструкция
[ редактировать ]
Ядро находилось в цилиндре из мягкой стали длиной 117 см (46 дюймов) с внутренним диаметром 15,2 см (6,0 дюйма) и толщиной стенки 0,6 см (0,24 дюйма). Топливная сборка имела диаметр 15 см (5,9 дюйма), высоту 14 см (5,5 дюйма) и содержала 55 твэлов. Каждый топливный элемент состоял из δ -фазы плутония-239 . Каждый из них имел диаметр 1,64 см (0,65 дюйма) и длину 14 см (5,5 дюйма). Топливные элементы были плакированы простой углеродистой сталью толщиной 0,5 миллиметра (0,020 дюйма). Ядро располагалось в нижней части стального цилиндра.
Активная зона охлаждалась жидкой ртутью . Максимальная тепловая мощность составила 25 кВт. Ртуть циркулировала через активную зону и выводилась в ртутно-водяной теплообменник с максимальной скоростью потока 0,15 литра в секунду (0,040 галлона США/с) с помощью электромагнитного насоса индукционного типа без движущихся частей. [5]
Экранирующая и опорная конструкция
[ редактировать ]
Активная зона реактора была окружена рядом отражателей нейтронов и защитных конструкций, начиная с цилиндрического слоя природного урана толщиной 15 см (6 дюймов), непосредственно окружающего активную зону. Это одеяло было открыто сверху и снизу, и его можно было перемещать вверх и вниз. Следующим был стальной отражатель толщиной 15,2 см (6 дюймов) и свинец толщиной 10 см (4 дюйма). Наконец, большая часть реактора была окружена множеством слоев стали и боропластика. Вся эта конструкция была окружена и поддерживалась толстой бетонной оболочкой, обеспечивающей дополнительную защиту. Через защиту проходило несколько отверстий, обеспечивающих быстрые нейтроны для различных физических экспериментов. [6]
Управление реактором
[ редактировать ]Реактор был первым реактором, продемонстрировавшим управление реакцией посредством контроля запаздывающих нейтронов . [6] [7] это было скорее особенностью одного из самых ранних реакторов, а не особенностью конструкции. Контроль осуществлялся несколькими способами. Описанное выше урановое одеяло можно было поднимать и опускать. 238 U является хорошим отражателем нейтронов , поэтому положение бланкета контролировало количество нейтронов, доступных для реакции. Когда бланкет поднимался, больше нейтронов отражалось обратно в активную зону, вызывая большее количество делений и, следовательно, большую выходную мощность. [6]
Кроме того, имелись два стержня останова/управления, состоящие из природного урана и бора, обогащенного изотопом бор -10 . 10 B — очень эффективный нейтронный яд , который можно использовать для контроля и остановки реакции.
Остановка реактора включала одновременное сбрасывание уранового бланкета и установку двух управляющих стержней в центр, которые поглощали нейтроны и отравляли реакцию. В активной зоне было доступно до 20 других отверстий для экспериментальных конфигураций или дополнительных управляющих или топливных стержней. [6]
Использование и выключение
[ редактировать ]Клементина успешно работала с 1946 по 1950 год, когда реактор был остановлен, чтобы устранить проблему с регулирующими и регулировочными стержнями. Во время остановки было отмечено, что один из стержней из природного урана разорвался. Его заменили и реактор перезапустили. [5]
Он снова успешно эксплуатировался до 1952 года, когда лопнула оболочка одного из твэлов. Это привело к загрязнению первого контура охлаждения плутонием и другими продуктами деления . В это время было решено, что все основные цели «Клементины» достигнуты, и реактор был окончательно остановлен и демонтирован. [5]
Результаты эксперимента Клементина
[ редактировать ]Опыт и данные, полученные при эксплуатации реактора «Клементина», были очень полезны как для военного, так и для гражданского применения. Одним из заметных достижений проекта «Клементина» стали измерения полных нейтронных сечений 41 элемента с точностью 10%. Кроме того, Клементина предоставила бесценный опыт в управлении и проектировании реакторов на быстрых нейтронах. Было также установлено, что ртуть не является идеальной охлаждающей средой для реакторов этого типа из-за ее плохих характеристик теплопередачи. [5]
Технические характеристики
[ редактировать ]- Тип: реактор на быстрых нейтронах
- Топливо: плутоний-239.
- Охлаждающая жидкость: ртуть со скоростью максимум 2 килограмма в секунду (260 фунтов/мин).
- Модератор: нет
- Защита: несколько слоев урана-238, стали, свинца и пластика, пропитанного бором.
- Мощность: 25 кВт максимум.
- Температура ядра: вход 38 °C (100 °F), выход 121 °C (250 °F), максимальная температура ядра 135 °C (275 °F) [6]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Вехи в истории Национальной лаборатории Лос-Аламоса» (PDF) . Лос-Аламосская наука . 21 . Лос-Аламосская национальная лаборатория. 1993.
- ^ Патенауд, Ханна К.; Фрайберт, Франц Дж. (3 июля 2023 г.). «О, моя дорогая Клементина: подробная история и хранилище данных плутониевого быстрого реактора в Лос-Аламосе» . Ядерные технологии . 209 (7): 963–1007. дои : 10.1080/00295450.2023.2176686 . ISSN 0029-5450 .
- ^ Джерни, Эдвард Торнтон (1 мая 1954 г.). «Быстрый плутониевый реактор в Лос-Аламосе» . Реакторы - Исследования и энергетика . ЛА-1679 . Проверено 5 января 2021 г.
- ^ Банкер, Мерл Э. (зима – весна 1983 г.). «Ранние реакторы от водяного котла Ферми до новых энергетических прототипов» (PDF) . Лос-Аламосская наука . Лос-Аламосская национальная лаборатория: 127.
- ^ Перейти обратно: а б с д Банкер, Мерл Э. (зима – весна 1983 г.). «Ранние реакторы от водяного котла Ферми до новых энергетических прототипов» (PDF) . Лос-Аламосская наука . Национальная лаборатория Лос-Аламоса: 128.
- ^ Перейти обратно: а б с д и Адамс, Стивен Р. (октябрь 1985 г.). Теория, проектирование и эксплуатация жидкометаллических быстрых реакторов-размножителей, включая физику производственного здоровья (отчет). Том. НУРЕГ/ CR-4375, EGG-2415. Национальная инженерная лаборатория Айдахо. п. А44.
- ^ Белл, Чарльз Р. (март 2007 г.). «Моделирование невозможного по безопасности реактора-размножителя» (PDF) . Лос-Аламосская наука : 102.