Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ядролық реактордың түрі
Type of nuclear reactor
Сулы гомогенді реакторлар (AHR) – ішкі реактор камерасы мен сыртқы салқындату және модерациялау камерасынан тұратын екі (2) камералы реактор. Олар суда ерітілген ядролық тұздардан (әдетте уран сульфаты немесе уран нитраты) тұратын ядролық реактордың бір түрі. Отын ауыр немесе жеңіл сумен араластырылады, ол реакторды ішінара модерациялап, салқындатады. Реактордың сыртқы қабатында көбірек су бар, ол да ішінара салқындатады және модератор қызметін атқарады. Су ауыр су немесе қарапайым (жеңіл) су болуы мүмкін, ол нейтрондарды баяулатып, тұрақты реакцияны қамтамасыз етуге көмектеседі, және екеуі де өте таза болуы керек. Өзін-өзі басқару мүмкіндігі және реактивтіліктің үлкен өсуін қабылдау қабілеті оларды басқа реакторлардан ерекшелейді және, мүмкін, ең қауіпсіз етеді. Калифорния штатындағы Санта-Сусанада Atomics International "Кинетикалық энергия эксперименттері" деп аталатын бірқатар сынақтар жүргізді. 1940 жылдардың соңында басқару таяқшалары серіппелерге орнатылып, миллисекунд ішінде реактордан шығарылды. Реактордың қуаты шамамен 100 ватттан шамамен 1 000 000 ваттқа дейін өсті, ешқандай проблемалар байқалмады. Сулы гомогенді реакторлар кейде "су қайнатқыштары" деп аталды (қайнату реакторларымен шатастырмау керек), себебі ішіндегі су қайнағандай көрінеді, бірақ көпіршіктердің пайда болуына сәулелену мен бөліну бөлшектерінің суды құрамына сәйкес газдарға ажыратуы себеп болады, бұл процесс радиолиз деп аталады. AHR-лер өзін-өзі басқару қабілетіне, өте жоғары нейтрондық ағындарына және басқарудың қарапайымдығына байланысты зерттеу реакторлары ретінде кеңінен қолданылды. 2006 жылғы сәуір айына қарай, Зерттеу реакторларының дерекқорына сәйкес, бес AHR ғана жұмыс істеді. Сульфат негізіндегі ерітінділерге байланысты коррозия мәселелері оларды торийден уран-233 отынын өндіруші ретінде қолдануды шектеді. Қазіргі кездегі конструкциялар азот қышқылы негізіндегі ерітінділерді (мысалы, ураннил нитраты) пайдаланады, бұл тот баспайтын болаттардағы осы мәселелердің көп бөлігін жояды.
Aqueous homogeneous reactors (AHR) is a two (2) chamber reactor consisting of an interior reactor chamber and an outside cooling and moderating jacket chamber. They are a type of nuclear reactor in which soluble nuclear salts (usually uranium sulfate or uranium nitrate) are dissolved in water. The fuel is mixed with heavy or light water which partially moderates and cools the reactor. The outside layer of the reactor has more water which also partially cools and acts as a moderator. The water can be either heavy water or ordinary (light) water, which slows neutrons and helps facilitate a stable reaction, both of which need to be very pure. Their self controlling features and ability to handle very large increases in reactivity make them unique among reactors, and possibly safest. At Santa Susana, California, Atomics International performed a series of tests titled The Kinetic Energy Experiments. In the late 1940s, control rods were loaded on springs and then flung out of the reactor in milliseconds. Reactor power shot up from ~100 watts to over ~1,000,000 watts with no problems observed. Aqueous homogeneous reactors were sometimes called "water boilers" (not to be confused with boiling water reactors), as the water inside appears to boil, though the bubbling is actually due to the production of hydrogen and oxygen as radiation and fission particles dissociate the water into its constituent gases, a process called radiolysis. AHRs were widely used as research reactors as they are self controlling, have very high neutron fluxes, and were easy to manage. As of April 2006, only five AHRs were operating according to the Research Reactor database. Corrosion problems associated with sulfate base solutions limited their application as breeders of uranium 233 fuels from thorium. Current designs use nitric acid base solutions (e. g. uranyl nitrate) eliminating most of these problems in stainless steels.
Тарих
Біртекті реакторларды зерттеулер Екінші дүниежүзілік соғыстың соңына қарай басталды. Химиктерді әртүрлі реакторлардың мұқият дайындалған қатты отын элементтерінің, ядролық реакцияның "күлі" – бөліну өнімдерін жою үшін қышқылдарда еріп кетуі қатты толғандырды. Химиялық инженерлер қатты отын элементтерін қымбатқа түсіріп, жою қажеттігін болдырмайтын сұйық отын реакторларын жобалауға үміттенді. Бірақ сұйық отында газ көпіршіктерінің пайда болуы және материалдарға (особырақта уранил сульфаты негізіндегі ерітінділерде) коррозиялық әсері күрделі жобалау және материалдық мәселелер тудырды. Энрико Ферми Лос-Аламоста әлемдегі үшінші реактордың, алғашқы біртекті сұйық отынмен жұмыс істейтін реактордың және 235 уранмен байытылған уранмен жұмыс істейтін алғашқы реактордың салынуын ұсынды. Соңында үш нұсқасы салынды, барлығы бірдей концепцияға негізделген. Қауіпсіздік мақсатында бұл реакторларға "су қайнатқыштары" деген кодовое атау берілді. Бұл атау орынды болды, себебі жоғары қуатты нұсқаларда отын ерітіндісі сутегі мен оттегі көпіршіктерінің пайда болуынан қайнаған сияқты көрінді, бұл процесс радиолиз деп аталады. Реактор LOPO (төмен қуатты) деп аталды, өйткені оның қуаты дерлік нөлге тең болды. LOPO өз мақсатына жетті: қарапайым отын конфигурациясының сындық массасын анықтау және жаңа реактор концепциясын сынау. LOPO 1944 жылдың мамыр айында байытылған уранды соңғы рет қосып, сындық деңгейге жетті. Енрико Фермидің өзі басқаруды жүзеге асырды. LOPO 5,5 киловатқа дейін қуатпен жұмыс істей алатын екінші "Су қайнатқышына" орын беру үшін демонтаждалды. HYPO (жоғары қуатты) деп аталған бұл нұсқада отын ретінде ураннил нитратының ерітіндісі қолданылды, ал бұрынғы құрылғыда байытылған ураннил сульфаты қолданылған. Бұл реактор 1944 жылдың желтоқсан айында іске қосылды. Алғашқы атом бомбаларын жобалау кезінде қажетті нейтронды өлшемдердің көптеген маңызды мәліметтері HYPO арқылы алынды. 1950 жылға қарай жоғары нейтрондық ағындар қажет болды, сондықтан HYPO 35 киловатқа дейін қуатпен жұмыс істеуге мүмкіндік беру үшін кеңейтілді. Бұл реактор, әрине, SUPO деп аталды. SUPO 1974 жылы тоқтатылғанға дейін дерлік күнделікті жұмыс істеді. 1952 жылы Лос-Аламоста Эдвард Теллердің қару жасау туралы идеясын қолдау үшін уран фториді түріндегі байытылған уранның ауыр су ерітінділерімен екі сынақ жүргізілді. Сынақтар аяқталғаннан кейін Теллер қызығушылығын жоғалтты, бірақ нәтижелер бұрынғы реакторларды жақсарту үшін қолданылды. Бір топ сынақтарда ерітінді айналасында рефлекторы жоқ резервуарларда болды. Ерітінді биіктігі D2O ерітінділерімен кіші резервуарда 1:230 және 1:419, ал үлкен резервуарда 1:856 мен 1:2081 аралығындағы D/235U атомдық қатынастарында сындық деңгейге келтірілді. Екінші топта ерітінді шарлары сфералық контейнердің ішіне орналастырылды, оған D2O резервуардан сорғыланды. Сындыққа диаметрі 13,5-тен 18,5 дюймге дейінгі алты ерітінді шарларында 1:34-тен 1:431-ге дейінгі D/235U атомдық қатынастарында қол жеткізілді. Сынақ аяқталғаннан кейін бұл жабдықтар да қолданыстан шығарылды.
Initial studies of homogeneous reactors took place toward the close of World War II. It pained chemists to see precisely fabricated solid fuel elements of heterogeneous reactors eventually dissolved in acids to remove fission products—the "ashes" of a nuclear reaction. Chemical engineers hoped to design liquid fuel reactors that would dispense with the costly destruction and processing of solid fuel elements. The formation of gas bubbles in liquid fuels and the corrosive attack on materials (in uranyl sulfate base solutions), however, presented daunting design and materials challenges. Enrico Fermi advocated construction at Los Alamos of what was to become the world’s third reactor, the first homogeneous liquid fuel reactor, and the first reactor to be fueled by uranium enriched in uranium 235. Eventually three versions were built, all based on the same concept. For security purposes these reactors were given the code name "water boilers". The name was appropriate because in the higher power versions the fuel solution appeared to boil as hydrogen and oxygen bubbles were formed through decomposition of the water solvent by the energetic fission products, a process called radiolysis. The reactor was called LOPO (for low power) because its power output was virtually zero. LOPO served the purposes for which it had been intended: determination of the critical mass of a simple fuel configuration and testing of a new reactor concept. LOPO achieved criticality in May 1944, after one final addition of enriched uranium. Enrico Fermi himself was at the controls. LOPO was dismantled to make way for a second Water Boiler that could be operated at power levels up to 5.5 kilowatts. Named HYPO (for high power), this version used solution of uranyl nitrate as fuel whereas the earlier device had used enriched uranyl sulfate. This reactor became operative in December 1944. Many of the key neutron measurements needed in the design of the early atomic bombs were made with HYPO. By 1950 higher neutron fluxes were desirable, consequently, extensive modifications were made to HYPO to permit operation at power levels up to 35 kilowatts. This reactor was, of course, named SUPO. SUPO was operated almost daily until its deactivation in 1974. In 1952, two sets of critical experiments with heavy water solutions of enriched uranium as uranyl fluoride were carried out at Los Alamos to support an idea of Edward Teller about weapon design. By the time the experiments were completed, Teller had lost interest, however the results were then applied to improve the earlier reactors. In one set of experiments the solution was in tanks without a surrounding reflector. Solution heights were adjusted to criticality with D2O solutions at D/235U atomic ratios of 1:230 and 1:419 in the smaller tank and 1:856 to 1:2081 in the larger tank. In the other set of experiments solution spheres were centered in a spherical container into which D2O was pumped from a reservoir at the base. Criticality was attained in six solution spheres from 13.5 to 18.5 inch diameter at D/235U atomic ratios from 1:34 to 1:431. On completion of the experiment that equipment too was retired.
Біртекті реактор эксперименті
Оук Ридж ұлттық зертханасында салынған алғашқы сулы гомогенді реактор 1952 жылдың қазан айында іске қосылды. 1953 жылдың ақпан айында бір мегаватт (МВт) жобалық қуат деңгейіне қол жеткізілді. Реактордың жоғары қысымды буы шағын турбинаны айналдырып, 150 киловатт (кВт) электр энергиясын өндірді, бұл жетістік операторларына «Оук Ридж Энергия Компаниясы» құрметті атағын сыйлады. Дегенмен, AEC сумен салқындатылатын қатты отынды реакторларды дамытуға міндеттенді және басқа реактор түрлерінің зертханалық демонстрациялары, олардың сәттілігіне қарамастан, оның бағытын өзгерте алмады.
The first aqueous homogeneous reactor built at Oak Ridge National Laboratory went critical October 1952. The design power level of one megawatt (MW) was attained in February 1953. The reactor's high pressure steam twirled a small turbine that generated 150 kilowatts (kW) of electricity, an accomplishment that earned its operators the honorary title "Oak Ridge Power Company." However AEC was committed to development of solid fuel reactors cooled with water and laboratory demonstrations of other reactor types, regardless of their success, did not alter its course.
KEMA суспензиялық сынақ реакторы
1974 жылдан 1979 жылға дейін KEMA (Keuring van Elektrotechnische Materialen Arnhem) Нидерландыдағы Арнем қаласында KEMA Suspension Test Reactor (KSTR) деп аталатын сулы гомогенді реакторды пайдаланды. Реактор Оак Ридж Ұлттық зертханасының (ORNL) сарапшыларымен бірлесіп, гомогенді реактор эксперименті саласындағы олардың тәжірибесіне сүйене отырып салынды. Реактор Утрехттегі Werkspoor компаниясы жасаған реактор ыдысынан (диаметрі 310 мм, көлемі 18,3 литр) тұрды. Отын 14% UO2 (жоғары байытылған, 90% 235U) және 86% ThO2 қоспасы, 400 г/л концентрациясында болды. Уран (6766 грамм, ішінде 6082 грамм 235U) NUKEM компаниясы жеткізді. Отын түйіршіктері (диаметрі 5 мкм) KEMA компаниясы сол-гель деп аталатын ерекше әдіс арқылы жасалды, бұл өнеркәсіптің де қызығушылығын тудырды. Реактор температурада, қысымда және ең жоғары қуатында жұмыс істеді.
From 1974 till 1979 the KEMA (Keuring van Elektrotechnische Materialen Arnhem) operated an aqueous homogeneous reactor, called KEMA Suspensie Test Reactor (KSTR) on their site at Arnhem in the Netherlands. The reactor was built in cooperation with experts from ORNL (Oak Ridge National Laboratory) because of their experience with the homogeneous reactor experiment. The reactor consisted of a reactor vessel (ø310 mm, content 18.3 liter), manufactured by Werkspoor in Utrecht. The fuel was a mixture of 14% UO2 (highly enriched, 90% 235U) and 86% ThO2 in a concentration of 400 g/L. The Uranium (6766 grams, containing 6082 grams of 235U) was delivered by NUKEM. The fuel grains (ø 5μm) were designed by KEMA via a unique so called sol gel process, which also attracted attention from the industry. The reactor operated at a temperature of , a pressure of and a maximum power of .
ARGUS реакторы
АРГУС реакторының негізінде КСРО-дағы Курчатов институтында радиоактивті изотоптарды өндірудің экологиялық таза және экономикалық жағынан бәсекеге қабілетті әдістері әзірленді. КСРО осы типтегі реакторлардың сериясын салуды жоспарлаған, бірақ олардың тек екеуі ғана салынды: біреуі Курчатов институтында, екіншісі 1980-жылдардың соңында Душанбеде, Тәжік КСР-інде. Алайда, Кеңес Одағының ыдырауына байланысты олар пайдалануға енгізілмеді. 2017 жылы Тәжікстан үкіметі негізінен медициналық мақсатта 99-молибден өндіру үшін реакторын қайта жаңарту және жөндеу жұмыстарын бастады. Курчатов институтындағы 20 кВт жылу шығыны бар реактор 1981 жылдан бері жұмыс істеп келеді және жоғары тиімділік және қауіпсіздік көрсеткіштерін көрсетіп келеді. Қазіргі уақытта осы реакторда 89-стронций және 99-молибден өндірісі үшін технологияларды әзірлеу мүмкіндіктерін зерттеу жүргізілуде. Белгиядағы Ұлттық радиоактивті элементтер институтында жүргізілген изотоптардың талдауы, АРГУС-та өндірілген 99-Mo үлгілерінің өте жоғары радиохимиялық тазалыққа ие екенін көрсетті, яғни олардағы қоспалардың мөлшері рұқсат етілген шектен 2-4 есе артық төмен. Медициналық радиоактивті изотоптардың арасында 99-Mo және 89-Sr кеңінен қолданылады. Біріншісі – 99m-технеций өндірісі үшін шикізат, ол онкологиялық, кардиологиялық, урологиялық және басқа да ауруларды диагностикалауға арналған радиофармацевтикалық препарат. Еуропада жыл сайын осы изотопты қолданып 6 миллионнан астам адам тексеріледі.
Environmentally friendly and economically competitive techniques of radioactive isotope production were being developed at the Kurchatov Institute in USSR, on the base of the ARGUS reactor – an aqueous homogeneous mini reactor. The USSR was planning to build a series of this type of rector, however, only two have been built: one in Kurchatov Institute and second was built in the late '80s in Dushanbe, Tajik SSR. However, these did not go into operation due to collapse of the Soviet Union. In 2017 the Tajik government started reconstructing and fixing its reactor to produce molybdenum 99 primarily for medical use. The reactor in the Kurchatov Institute, with 20 kW thermal output power, has been in operation since 1981 and has shown high indices of efficiency and safety. Feasibility studies to develop techniques for strontium 89 and molybdenum 99 production in this reactor are currently underway. An analysis of the isotopes produced, performed at the National Institute of Radioactive Elements in Belgium, has shown that the Mo 99 samples produced at ARGUS are characterized by extreme radiochemical purity, i. e. the impurity content in them is lower than the allowable limits by 2–4 orders of magnitude. Among the radioactive medical isotopes, Mo 99 and Sr 89 are widespread. The first one is a raw material for production of technetium 99m, a radiopharmaceutical preparation for diagnostics of oncological, cardiological, urological, and other diseases. More than 6 million people are examined with this isotope each year in Europe.
Tc-99m өндірісі
Медициналық изотоптарды тікелей отын ағынынан алу мүмкіндігі осы конструкцияға негізделген сулы гомогенді реакторларға қайта жаңа қызығушылықты тудырды. BWX Technologies (бұрынғы Babcock & Wilcox) Tc-99m өндірісі үшін сулы гомогенді реактор ұсынды.
The ability to extract medical isotopes directly from in line fuel has sparked renewed interest in aqueous homogeneous reactors based on this design. BWX Technologies (formerly Babcock & Wilcox) has proposed an aqueous homogeneous reactor for Tc 99m production.
Басқа зерттеулер
Судың радиолизі және процестік жылу өндірісі арқылы сулы гомогенді ядролық бөліну реакторының бір мезгілде сутек өндіру мүмкіндігі 1975 жылы Мичиган университетінде (Энн-Арбор қаласында) зерттелді. Еуропадағы бірнеше шағын ғылыми жобалар осы зерттеу бағытын жалғастыруда. Atomics International компаниясы зерттеу, оқыту және изотоптар өндіру мақсатында төмен қуатты (5-тен 50 000 Вт-қа дейін жылулық қуатты) ядролық реакторларды жобалап, құрастырды. Осы реакторлардың L 54 үлгісі АҚШ-тың бірқатар университеттері мен Жапонияны қоса алғанда, шетелдік ғылыми-зерттеу институттары сатып алып, орнатты.
The use of an aqueous homogeneous nuclear fission reactor for the simultaneous hydrogen production by water radiolysis and process heat production was examined at the University of Michigan, in Ann Arbor in 1975. Several small research projects continue this line of inquiry in Europe. Atomics International designed and built a range of low power (5 to 50,000 watts thermal) nuclear reactors for research, training, and isotope production purposes. One reactor model, the L 54, was purchased and installed by a number of United States universities and foreign research institutions, including Japan.