Кіріспе

NRX (National Research Experimental) – 1947 жылы 10 МВт (термиялық) жобалық қуатымен іске қосылған, 1954 жылы 42 МВт-қа дейін артқан ауыр сумен баяулатылған, жеңіл сумен салқындатылған ядролық зерттеу реакторы. Ол Канаданың Чалк Ривер Лабораториясында орналасқан. Құрылыс кезінде ол Канаданың ең қымбат ғылыми құрылысы және әлемдегі ең қуатты ядролық зерттеу реакторы болды. NRX жылу шығару мөлшері және босатып шығарған еркін нейтрондар саны бойынша ерекшеленді. NRX сияқты ядролық реактор жұмыс істеген кезде, оның ядролық тізбекті реакциясы көптеген бос нейтрондарды жасайды. 1940 жылдардың соңында NRX әлемдегі ең қарқынды нейтрон көзіне айналды. 1952 жылдың 12 желтоқсанында NRX әлемдегі алғашқы ірі реактор апаттарының бірін бастан өткерді. Реактор жұмысы 1947 жылдың 22 шілдесінде Канаданың Ұлттық зерттеу кеңесі басшылығымен басталды, ал 1952 жылғы апатқа дейін аз уақыт бұрын Канаданың атом энергиясы (AECL) компаниясы оны қабылдады. Апаттан кейін екі жыл ішінде реактор қайта іске қосылды. NRX 45 жыл бойы жұмыс істеді, содан кейін 1993 жылдың 30 наурызында тоқтатылды. Чалк Ривер Лабораториясында реакторды тоқтату жұмыстары жүріп жатыр. NRX Канаданың алғашқы реакторы ZEEP-тің жалғасы болды. Зерттеу реакторының қызмет ету мерзімі ұзақ болмайды деп есептелгендіктен, 1948 жылы өздігінен тікелей реакцияны (немесе "критикалыққа" қол жеткізген) бастаған Ұлттық зерттеу универсалдық реакторының құрылысын жоспарлау жұмыстары басталды.

Дизайн

Ауыр сумен жұмыс істейтін реактор екі негізгі процесспен басқарылады. Біріншіден, су ядролық бөлінуден пайда болатын нейтрондарды баяулатады (модерациялайды), бұл жоғары энергиялы нейтрондардың одан әрі бөліну реакцияларын тудыратын мүмкіндіктерін арттырады. Екіншісі, басқару таяқшалары нейтрондарды сіңіріп, реактордың қуат деңгейін реттейді немесе қалыпты жұмыс барысында реакторды тоқтатады. Басқару таяқшаларын енгізу немесе ауыр су модераторын алып тастау реакцияны тоқтатуға мүмкіндік береді. NRX реакторында каландр орнатылған, ол диаметрі және биіктігі 175 см болатын герметикалық алюминий цилиндрлі ыдыс. Реактордың ішкі ыдысы алтыбұрышты торға орналасқан 175 тік түтікшені ұстады, олар ауыр су және гелий газымен толтырылып, ауаны ығыстырып, коррозияны алдын тоқтату үшін пайдаланылды. Реактордағы су деңгейін қуат деңгейін орнатуға көмектесу үшін реттеуге болады. Тік түтікшелерде ауамен қоршалған отын элементтері немесе тәжірибелік үлгілер орналасқан. Бұл конструкция CANDU реакторларының алдағысы болды. Отын элементтері уран отыны бар, алюминиймен қапталған, ұзындығы 1 метр, диаметрі 5 см және салмағы 2 кг болатын отын таяқшаларын қамтиды. Отын элементін алюминий салқындатқыш түтігі қоршап тұрды, оның ішінде Оттава өзенінен ағып келетін 500 м³ дейін салқындату суы ағып өтеді. Салқындатқыш қаптама мен каландр арасында 10 м³/сағат ауа ағыны сақталды. Вертикаль түтікшелердің 12-сінде болат түтікшелердің ішінде борон карбидінен жасалған басқару таяқшалары орналасқан. Оларды реакцияны басқару үшін көтеруге және түсіруге болады, кез келген жеті таяқшаны енгізу тізбекті реакцияның пайда болуын тоқтату үшін жеткілікті нейтрондарды сіңіруге қабілетті. Таяқшалар электромагниттермен ұсталып тұрды, сондықтан электр қуатының үзілуі олардың түтікшелерге түсіп, реакцияны тоқтатуына себеп болар еді. Пневматикалық жүйе ауа қысымын жоғарыдан пайдаланып, таяқшаларды реактордың өзегіне жылдам итеруге немесе төменнен баяу көтеруге мүмкіндік берді. Олардың төртеуі сақтандыру банкі деп аталды, ал қалған сегізін автоматты түрде басқаруға болады. Басқару бөлмесіндегі басқару панеліндегі екі батырма таяқшаларды пневматикалық жүйеге бекіту үшін магниттерді қосады, ал таяқшаларды өзектің ішіне пневматикалық түрде енгізуге арналған батырма бірнеше метр қашықтықта орналасқан.

Тарих

NRX бір кезде әлемдегі ең қуатты зерттеу реакторы болды, Канаданы физика зерттеулерінің алдыңғы қатарына шығарды. Екінші дүниежүзілік соғыста Ұлыбритания, АҚШ және Канада арасындағы бірлескен күш-жігердің нәтижесінде құрылған NRX – көп мақсатты зерттеу реакторы болатын. Ол жаңа изотоптарды әзірлеуге, материалдар мен отындарды сынауға, сондай-ақ нейтрондық сәулелену шоқтарын өндіруге қолданылды, бұл конденсирленген материя физикасының дамып келе жатқан саласында таптырмас құралға айналды. NRX ядролық физикасының жобасы Канаданың Ұлттық зерттеу кеңесінің Монреаль зертханасында жасалды. Бұл зертхана Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде Монреаль университетінде құрылып, канадалық, британдық және басқа еуропалық ғалымдардан тұратын топқа ауыр су реакторын құпия түрде зерттеуге мүмкіндік берді. NRX-ті қазіргі Chalk River Laboratories деп аталатын жерде салу туралы шешім қабылданғанда, егжей-тегжейлі инженерлік жобалау Канаданың Defence Industries Limited (DIL) компаниясына тапсырылды, ал құрылыс жұмысын Fraser Brace Ltd. атқаруға шарт жасасты. Раққа сәулемен емдеудің бастапқы кезеңдерінде NRX реакторы кобальт-60 изотопының жалғыз көзі болды және 1951 жылы алғаш рет ісіктерді сәулемен бомбалау үшін қолданылды. 1994 жылы доктор Бертрам Брокхаус 1950 жылдары NRX-те жасаған жұмысы үшін физика саласындағы Нобель сыйлығын бөлісті, ол конденсирленген материяны зерттеу үшін нейтронды шашырату саласында қолданылатын анықтау және талдау техникаларын жетілдірді. Осы жобаға негізделген CIRUS реакторы Үндістанда салынды. Кейіннен ол Үндістанның "Күлкілі Будда" ядролық сынағы үшін плутоний өндіруге пайдаланылды. "Crud" термині бастапқыда "Chalk River анықталмаған шөгіндісі" (Chalk River Unidentified Deposit) дегенді білдірген, ол алғаш рет NRX нысанында байқалған реактордың ішкі компоненттерінде жинақталатын радиоактивті қабатты сипаттау үшін қолданылды. Crud кейіннен "коррозияға байланысты анықталмаған шөгінді" (Corrosion Related Unidentified Deposit) және осыған ұқсас сөз тіркестері үшін қолданылатын жалпы тілге айналды және ол енді Chalk River зауытымен байланысты емес.

Апат

1952 жылдың 12 желтоқсанында NRX реакторы оператордың қателігі және тоқтату жүйелеріндегі механикалық ақаулар салдарынан ішінара балқып кетті. Сынақтар үшін, отын арналарының бір бөлігі жоғары қысымды сумен салқындатудан ажыратылып, уақытша салқындату жүйесіне шлангтар арқылы қосылды; бір арнасы төмен қуаттылықта тек ауа ағынымен салқындатылды. Төмен қуаттылықтағы сынақтар кезінде, өзек арқылы салқындатушының ағыны төмен болғанда, бақылаушы бірнеше басқару таяқшаларының өзектен шығарылып алынғанын байқады; жертөледегі оператор пневматикалық клапандарды қате ашқан. Қате ашылған клапандар дереу жабылды, бірақ кейбір басқару таяқшалары өзекке қайта кірмеді және шығарылған күйінде қалды, бірақ олардың статусы көрсеткіштері төмендегенін көрсетті. Бақылаушы мен басқару бөлмесінің операторы арасындағы қате түсініспеу салдарынан, бақылаушы басқару таяқшаларын өзекке түсіруді сұрағанда, оператор дұрыс емес батырмаларды басты. Шығарылған басқару таяқшаларын пневматикалық жүйеге бекітудің орнына, төрт басқару таяқшасының резервтік тобы кездейсоқ түрде өзектен шығарылды. Оператор қуат деңгейінің экспоненциалды түрде өсіп, әр 2 секунд сайын екі есеге артып жатқанын байқады және реакторды тоқтатты. Алайда, үш резервтік басқару таяқшасы өзекке енгізілмеді, ал төртіншісі 90 секундқа дейін қалыптыдан тыс ұзақ уақытқа созылып, қуаттылық өсе берді. 10 секундтан кейін өзек 17 МВт (термиялық) қуатқа жетті. Салқындату суы уақытша салқындату жүйесіне қосылған бірнеше түтіктерде қайнады, ал кейбіреулері жарылды; реактордың оң бос коэффициенті қуаттылықты одан әрі арттырды. 14 секундтан кейін клапандар қолмен ашылып, каландриядан ауыр су модераторы ағызылды. Бұл әсер ету үшін біраз уақыт кеткендіктен, қуат тағы 5 секундқа өсіп, шамамен 100 МВт-қа жетті, содан кейін модератор деңгейі төмендеді және 25 секундтан кейін нөлге жетті. Төмен қуаттан жоғары қуатқа дейін нөлдік қуатқа дейін барлық оқиға 108 секундқа созылды. Осы уақытта, отын элементтерінің бір бөлігі балқып, бірнеше жерде тесілді; гелий қаптамасы газы ағып, ауа ішке сіңірілді. Салқындату суының радиациялық диссоциациясынан сутек және басқа газдар пайда болды, ал 3–4 минуттан кейін оксигидроген каландрияда жарылды. Оқиға кезінде, газ тәрізді бөліну өнімдерінің бір бөлігі атмосфераға шығарылды, ал каландриядағы ауыр су салқындату суымен және бөліну өнімдерімен ластанды. Реактор ғимаратын тазалау үшін бірнеше ай жұмыс қажет болды, оған 150 АҚШ Әскери-теңіз күштерінің қызметкерлері көмектесті, өйткені адмирал Риковер ядролық ластануды тазалау туралы білу үшін АҚШ ядролық су асты кемелерінің қызметкерлерін жіберуге рұқсат сұрады. АҚШ контингентіне болашақ АҚШ президенті Джимми Картер кірді, ол кезде АҚШ ядролық су асты кемелері бағдарламасының лейтенанты болды және 12 адамды басқарды. NRX реакторының өзекі мен каландриясы, жөндеуге келмейтіндей зақымдалған, алынып тасталды және жерге көмілді, ал жақсартылған жаңасы орнатылды; жаңартылған реактор апаттан кейін 14 ай мен 5 күннен кейін жұмыс істей бастады. Тазалау жұмыстарын негізінен Канаданың атом энергиясының 850 қызметкері, оларға 170-ке жуық канадалық және 150 АҚШ әскери қызметкерлері және 20 мердігерлер көмектесті. 1952 жылғы апаттан алынған сабақтар реактор қауіпсіздігі саласын елеулі түрде дамытты, ал ол атап көрсеткен принциптер (қауіпсіздік жүйелерінің әртүрлілігі мен тәуелсіздігі, кепілді тоқтату мүмкіндігі, адам-машина интерфейсінің тиімділігі) реактор дизайнының негізгі элементтеріне айналды. Бұл оқиға әлемдегі алғашқы ауыр ядролық реактор апаты болды.