Аквагомогенные реакторы: принцип работы и особенности

Введение

Тип ядерного реактора

Водные однородные реакторы (ВГР) – это двухкамерный реактор, состоящий из внутренней реакторной камеры и наружной охлаждающей и замедляющей камеры. Это тип ядерного реактора, в котором растворимые ядерные соли (обычно сульфат урана или нитрат урана) растворяются в воде. Топливо смешивается с тяжелой или легкой водой, которая частично замедляет и охлаждает реактор. Внешний слой реактора содержит больше воды, которая также частично охлаждает и действует как замедлитель. Водой может быть либо тяжелая вода, либо обычная (легкая) вода, замедляющая нейтроны и способствующая стабильной реакции; обе должны быть очень чистыми. Их саморегулирующиеся свойства и способность выдерживать очень большие увеличения реактивности делают их уникальными среди реакторов и, возможно, самыми безопасными. В Санта-Сусане, Калифорния, компания Atomics International провела серию испытаний под названием «Эксперименты по кинетической энергии». В конце 1940-х годов контрольные стержни устанавливались на пружины, а затем выбрасывались из реактора за миллисекунды. Мощность реактора возросла с примерно 100 Вт до более чем 1 000 000 Вт без каких-либо наблюдаемых проблем. Водные однородные реакторы иногда называли «водяными котлами» (не путать с реакторами с кипящей водой), поскольку вода внутри кажется кипящей, хотя пузырение на самом деле вызвано образованием водорода и кислорода, поскольку излучение и продукты деления диссоциируют воду на составляющие газы – процесс, называемый радиолизом. ВГР широко использовались в качестве исследовательских реакторов благодаря их саморегулированию, очень высоким нейтронным потокам и простоте управления. По данным базы данных исследовательских реакторов, по состоянию на апрель 2006 года работало только пять ВГР. Проблемы коррозии, связанные с растворами на основе сульфатов, ограничили их применение для воспроизводства топлива урана-233 из тория. Современные конструкции используют растворы на основе азотной кислоты (например, уранилнитрат), устраняя большинство этих проблем в нержавеющих сталях.

История

Первоначальные исследования гомогенных реакторов были проведены к концу Второй мировой войны. Химиков огорчало то, что тщательно изготовленные твердые топливные элементы гетерогенных реакторов в конечном итоге растворялись в кислотах для удаления продуктов деления — «золы» ядерной реакции. Химические инженеры надеялись создать реакторы на жидком топливе, которые бы позволили избежать дорогостоящего уничтожения и переработки твердых топливных элементов. Однако образование газовых пузырьков в жидком топливе и коррозионное воздействие на материалы (в растворах на основе уранилсульфата) представляли собой серьезные проблемы в области проектирования и выбора материалов. Энрико Ферми выступал за строительство в Лос-Аламосе того, что должно было стать третьим в мире реактором, первым гомогенным реактором на жидком топливе и первым реактором, работающим на уране, обогащенном ураном-235. В конечном итоге было построено три версии, все основанные на одной концепции. В целях безопасности эти реакторы получили кодовое название «водяные котлы». Название оказалось уместным, поскольку в версиях большей мощности топливный раствор, казалось, кипел из-за образования пузырьков водорода и кислорода в результате разложения водного растворителя энергичными продуктами деления — процесс, называемый радиолизом. Реактор был назван LOPO (от low power — низкой мощности), поскольку его мощность была практически нулевой. LOPO служил целям, для которых он был предназначен: определению критической массы простой топливной конфигурации и испытанию новой концепции реактора. LOPO достиг критического состояния в мае 1944 года после окончательного добавления обогащенного урана. Энрико Ферми лично управлял реактором. LOPO был демонтирован, чтобы освободить место для второго «водяного котла», который мог работать на уровне мощности до 5,5 киловатт. Эта версия, названная HYPO (от high power — высокой мощности), использовала раствор уранилнитрата в качестве топлива, в то время как предыдущее устройство использовало обогащенный уранилсульфат. Этот реактор был введен в эксплуатацию в декабре 1944 года. Многие ключевые нейтронные измерения, необходимые для проектирования первых атомных бомб, были выполнены с помощью HYPO. К 1950 году потребовались более высокие нейтронные потоки, поэтому в HYPO были внесены существенные изменения, чтобы обеспечить работу на уровнях мощности до 35 киловатт. Этот реактор, естественно, был назван SUPO. SUPO работал почти ежедневно до вывода из эксплуатации в 1974 году. В 1952 году в Лос-Аламосе было проведено два набора критических экспериментов с тяжеловодными растворами обогащенного урана в виде фторида уранила для поддержки идеи Эдварда Теллера о конструкции оружия. К тому времени, когда эксперименты были завершены, Теллер потерял интерес, однако результаты были затем использованы для улучшения более ранних реакторов. В одном из наборов экспериментов раствор находился в резервуарах без окружающего отражателя. Высота раствора регулировалась до достижения критичности с растворами D2O при атомных соотношениях D/235U 1:230 и 1:419 в меньшем резервуаре и 1:856–1:2081 в большем резервуаре. В другом наборе экспериментов сферы раствора были помещены в центр сферического контейнера, в который из резервуара в основании закачивали D2O. Критическое состояние было достигнуто в шести сферах раствора диаметром от 13,5 до 18,5 дюймов при атомных соотношениях D/235U от 1:34 до 1:431. После завершения эксперимента это оборудование также было выведено из эксплуатации.

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.

Опыт однородного реактора

Первый водный однородный реактор, построенный в Национальной лаборатории Оук-Ридж, достиг критического состояния в октябре 1952 года. Проектная мощность в один мегаватт (МВт) была достигнута в феврале 1953 года. Высокотемпературный и высоконапорный пар, производимый реактором, вращал небольшую турбину, которая генерировала 150 киловатт (кВт) электроэнергии, за что операторы реактора получили почетное звание "Оук-Риджская энергетическая компания". Однако Комиссия по атомной энергии (AEC) была нацелена на разработку твердотопливных реакторов с водяным охлаждением, и лабораторные демонстрации других типов реакторов, независимо от их результатов, не изменили её курс.

Испытательный реактор KEMA

С 1974 по 1979 год KEMA (Keuring van Elektrotechnische Materialen Arnhem) эксплуатировала водяной однородный реактор, названный KEMA Suspension Test Reactor (KSTR) на своей площадке в Арнеме, Нидерланды. Реактор был построен в сотрудничестве с экспертами из ORNL (Oak Ridge National Laboratory) благодаря их опыту в области экспериментов с однородными реакторами. Реактор состоял из реакторного сосуда (диаметр 310 мм, объем 18,3 литра), изготовленного компанией Werkspoor в Утрехте. Топливо представляло собой смесь 14% UO2 (высокообогащенный, 90% 235U) и 86% ThO2 в концентрации 400 г/л. Уран (6766 грамм, содержащий 6082 грамма 235U) был поставлен компанией NUKEM. Топливные зерна (диаметр 5 мкм) были разработаны KEMA с использованием уникального золь-гель процесса, который также привлек внимание промышленности. Реактор работал при температуре , давлении и максимальной мощности .

Реактор ARGUS

Экологически безопасные и экономически конкурентоспособные методы производства радиоактивных изотопов разрабатывались в Курчатовском институте в СССР на базе реактора ARGUS – водяного однородного мини-реактора. В СССР планировалось построить серию таких реакторов, однако были построены только два: один в Курчатовском институте, а второй – в конце 80-х годов в Душанбе, Таджикской ССР. Они не были введены в эксплуатацию в связи с распадом Советского Союза. В 2017 году правительство Таджикистана начало реконструкцию и ремонт своего реактора для производства молибдена-99, прежде всего для медицинского применения. Реактор в Курчатовском институте, с тепловой мощностью 20 кВт, работает с 1981 года и демонстрирует высокие показатели эффективности и безопасности. В настоящее время проводятся исследования по разработке методов производства стронция-89 и молибдена-99 на этом реакторе. Анализ произведенных изотопов, выполненный в Национальном институте радиоактивных элементов в Бельгии, показал, что образцы Mo-99, полученные на ARGUS, характеризуются исключительно высокой радиохимической чистотой, то есть содержание примесей в них на 2–4 порядка величины ниже допустимых пределов. Среди радиоактивных медицинских изотопов широко используются Mo-99 и Sr-89. Первый является сырьем для производства технеция-99m – радиофармацевтического препарата для диагностики онкологических, кардиологических, урологических и других заболеваний. Более 6 миллионов человек в Европе ежегодно обследуются с использованием этого изотопа.

Производство Tc-99m

Возможность извлечения медицинских изотопов непосредственно из топлива в процессе работы реактора вызвала новый интерес к водно-гомогенным реакторам, основанным на данной конструкции. BWX Technologies (ранее Babcock & Wilcox) предложила водно-гомогенный реактор для производства Tc-99m.

Другие исследования

Использование водно-однородного ядерного реактора для одновременного производства водорода посредством радиолиза воды и выработки тепловой энергии было исследовано в Университете Мичигана в Анн-Арборе в 1975 году. Несколько небольших исследовательских проектов продолжают это направление работы в Европе. Компания Atomics International разработала и построила ряд низкомощных (от 5 до 50 000 ватт тепловой мощности) ядерных реакторов для исследовательских, учебных целей и производства изотопов. Одна из моделей реактора, L 54, была приобретена и установлена рядом университетов США и зарубежных исследовательских институтов, включая Японию.