Введение
Исследовательский ядерный реактор в Австралии
Открытый бассейновый австралийский легководный реактор (OPAL) — это ядерный исследовательский реактор мощностью 20 мегаватт (МВт), использующий воду в качестве замедлителя и теплоносителя. Официально открытый в апреле 2007 года, он заменил Австралийский реактор с высоким потоком, став единственным ядерным реактором в Австралии, и расположен на территории исследовательского центра Австралийской организации по ядерным наукам и технологиям (ANSTO) в Лукас-Хайтс, штат Новый Южный Уэльс, пригороде Сиднея. Как OPAL, так и его предшественник обычно назывались просто реактором Лукас-Хайтс.
История
Аргентинская компания INVAP несла полную ответственность за поставку реактора, выполняя проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию в соответствии с контрактом "под ключ", подписанным в июне 2000 года. Местное гражданское строительство было выполнено партнером INVAP, John Holland Evans Deakin Industries. Объект оснащен большим источником холодных нейтронов на жидком деутерии, современными волноводами сверхзеркал и залом волноводов. Холодный источник был разработан Петербургским институтом ядерной физики, криогенная система разработана и поставлена компанией Air Liquide, а первоначальный комплект из четырех волноводов сверхзеркал – компанией Mirrotron. 17 декабря 2001 года 46 активистов Greenpeace захватили объект Lucas Heights в знак протеста против строительства OPAL. Протестующие получили доступ на территорию, к реактору HIFAR, хранилищу высокоактивных радиоактивных отходов и радиовышке. Их протест подчеркнул риски для безопасности и окружающей среды, связанные с производством ядерных материалов и отправкой радиоактивных отходов с объекта. OPAL был открыт 20 апреля 2007 года тогдашним премьер-министром Австралии Джоном Говардом и является заменой реактора HIFAR. ANSTO получила лицензию на эксплуатацию от Австралийского агентства по радиационной защите и ядерной безопасности (ARPANSA) в июле 2006 года, что позволило начать "горячий" пуск, когда топливо впервые загружается в активную зону реактора. OPAL впервые достиг критического состояния вечером 12 августа 2006 года и впервые достиг полной мощности утром 3 ноября 2006 года.
Подробная информация о объекте
Ядро реактора состоит из 16 топливных сборок пластинчатого типа с низким обогащением и расположено под слоем воды в открытом бассейне. В качестве теплоносителя и замедлителя используется легкая вода (обычная H2O), а в качестве нейтронного отражателя – тяжелая вода (D2O). Назначение нейтронного отражателя – повышение нейтронной экономии в реакторе и, как следствие, увеличение максимального нейтронного потока. OPAL является ключевым элементом инфраструктуры ANSTO, обеспечивая производство радиофармпрепаратов и радиоизотопов, услуги по облучению (включая допинг кремния нейтронной трансмутацией), нейтронный активационный анализ и исследования с использованием нейтронных пучков. OPAL способен производить в четыре раза больше радиоизотопов для лечения в ядерной медицине, чем старый реактор HIFAR, а также более широкий спектр радиоизотопов для лечения различных заболеваний. Современная конструкция реактора включает в себя холодный источник нейтронов (CNS).
Нейтронный рассеяние в ОПАЛ
В Институте Брэгга при ANSTO находится установка нейтронного рассеяния OPAL. В настоящее время она функционирует как пользовательский центр, обслуживающий научное сообщество Австралии и всего мира. В 2009 году было получено дополнительное финансирование для установки новых, конкурентоспособных приборов и пучков. Установка включает в себя следующие приборы:
ЭЧИДНА
ECHIDNA – это название нейтронного порошкового дифрактометра высокого разрешения. Прибор предназначен для определения кристаллической структуры материалов с использованием нейтронного излучения, аналогично рентгеновским методам. Он назван в честь австралийского однопроходного млекопитающего – эхидны, поскольку шиповидные элементы конструкции прибора напоминают эту зверушку. Прибор работает с тепловыми нейтронами. Одной из ключевых особенностей является система из 128 коллиматоров и позиционно-чувствительных детекторов, обеспечивающая быстрое получение данных. ECHIDNA позволяет проводить определение структуры, измерения текстуры и картирование обратного пространства монокристаллов в различных условиях, обслуживая научные сообщества, занимающиеся физикой, химией, материаловедением, минералогией и науками о Земле. ECHIDNA входит в парк приборов для нейтронного рассеяния Института Брэгга.
ПЛАТИПУС
ПЛАТИПУС – это рефлектометр времени пролета, созданный на основе холодного источника нейтронов. Прибор предназначен для определения структуры межфазных поверхностей с использованием высококоллимированных нейтронных пучков. Эти пучки направляются на поверхность под малыми углами (обычно менее 2 градусов), и измеряется интенсивность отраженного излучения в зависимости от угла падения. Он работает с холодными нейтронами в диапазоне длин волн от 0,2 до 2,0 нм. Несмотря на то, что для построения каждой кривой отражения требуется до трех различных углов падения, принцип измерения времени пролета позволяет исследовать временные масштабы кинетических процессов. Анализируя отраженный сигнал, можно получить представление о химическом строении межфазной поверхности. Этот прибор может использоваться для изучения биомембран, липидных бислоев, магнетизма, адсорбированных слоев поверхностно-активных веществ и т.д. Он назван в честь Ornithorhynchus anatinus – полуводного однопроходного млекопитающего, обитающего в Австралии.
ВОМБАТ
WOMBAT – это высокоинтенсивный нейтронный порошковый дифрактометр. Прибор предназначен для определения кристаллической структуры материалов с использованием нейтронного излучения, аналогично рентгеновским методам. Он назван в честь вомбата, сумчатого животного, эндемичного для Австралии. Он будет работать с тепловыми нейтронами. Он разработан для обеспечения максимального потока и скорости сбора данных, чтобы получать дифракционные картины за доли секунды. Wombat будет ориентирован на исследования in situ и оперативные исследования, такие как определение структуры, измерения текстуры и картирование обратного пространства монокристаллов в самых разнообразных условиях, обслуживая научные сообщества в области физики, химии, материаловедения, минералогии и наук о Земле.
Ковари
KOWARI – это нейтронный дифрактометр для измерения остаточных напряжений. Сканирование деформаций с использованием тепловых нейтронов – это метод порошковой дифракции, применяемый к поликристаллическим образцам для определения изменения межатомных расстояний, вызванного внутренними или внешними напряжениями. Прибор назван в честь ковари, австралийского сумчатого животного. Он представляет собой неразрушающий диагностический инструмент, позволяющий оптимизировать, например, послесварочную термообработку (PWHT, аналогичную отпуску) сварных конструкций. Растягивающие напряжения, например, способствуют росту трещин в машиностроительных деталях, а сжимающие напряжения препятствуют этому росту (например, в отверстиях, подвергнутых холодному расширению при циклическом нагружении). Стратегии увеличения срока службы имеют значительное экономическое влияние, а сканирование деформаций предоставляет данные о напряжениях, необходимые для расчета остаточного ресурса, а также возможность мониторинга состояния компонентов, поскольку является неразрушающим методом. Одной из ключевых особенностей является столик для образцов, позволяющий исследовать крупные машиностроительные детали с высокой точностью ориентации и позиционирования.
Выступление
На начальных этапах испытаний и ввода в эксплуатацию каждое оборудование и система испытывались как по отдельности, так и в интегрированном режиме. Первые испытания проводились без загрузки ядерного топлива в активную зону, после чего был реализован детальный план загрузки ядерного топлива в активную зону реактора и достижения первой управляемой ядерной цепной реакции. Последовательное увеличение мощности позволило вывести реактор на полную мощность. После завершения ввода в эксплуатацию Австралийский орган по ядерной безопасности (ARPANSA) выдал лицензию, разрешающую его эксплуатацию на полной мощности. В течение первых циклов эксплуатации наблюдался типичный период приработки, характерный для установки нового типа. Реактор зарекомендовал себя как надежный поставщик радиофармпрепаратов, а также служит источником нейтронов для проведения исследований материалов с использованием различных приборов. С момента ввода в эксплуатацию реактор демонстрирует очень высокую доступность: в течение 2012–2013 гг. он работал 265 дней на полной мощности (включая продолжительный период планового технического обслуживания), в течение 2013–2014 гг. – 294 дня на полной мощности, а в течение 2014–2015 гг. – 307 дней на полной мощности. По состоянию на сентябрь 2016 года суммарное время работы на полной мощности составило 2200 эквивалентных дней. В течение каждого 30-дневного цикла эксплуатации облучается более 150 партий кремния, Mo99 производится регулярно для нужд ядерной медицины. OPAL произвела 4 миллиона доз. В отношении исследований с использованием нейтронов, Австралийский центр нейтронной дифракции (ранее Институт Брэгга) насчитывает более 120 ученых и 13 рабочих нейтронных установок, и опубликовал более 600 научных статей, основанных на данных, полученных с использованием нейтронов из активной зоны OPAL.