Введение
Национальный исследовательский универсальный (NRU) реактор был ядерным исследовательским реактором мощностью 135 МВт, построенным в лабораториях Чалк-Ривер в провинции Онтарио – одном из национальных научных центров Канады. Это было многоцелевое научное учреждение, выполнявшее три основные функции. Он производил радионуклиды, используемые для лечения или диагностики более 20 миллионов человек в 80 странах ежегодно (а также, в меньшей степени, другие изотопы для немедицинских целей). Он являлся источником нейтронов для Канадского центра нейтронных лучей NRC – исследовательского центра материалов, возникшего на основе работ Бертрама Брокхауса, удостоенного Нобелевской премии. Он служил испытательным стендом для компании Atomic Energy of Canada Limited для разработки топлива и материалов для реакторов CANDU. На момент вывода из эксплуатации 31 марта 2018 года это был старейший в мире действующий ядерный реактор.
The National Research Universal (NRU) reactor was a 135 MW nuclear research reactor built in the Chalk River Laboratories, Ontario, one of Canada’s national science facilities. It was a multipurpose science facility that served three main roles. It generated radionuclides used to treat or diagnose over 20 million people in 80 countries every year (and, to a lesser extent, other isotopes used for non medical purposes). It was the neutron source for the NRC Canadian Neutron Beam Centre: a materials research centre that grew from the Nobel Prize winning work of Bertram Brockhouse. It was the test bed for Atomic Energy of Canada Limited to develop fuels and materials for the CANDU reactor. At the time of its retirement on March 31, 2018, it was the world's oldest operating nuclear reactor.
История
Конструкция реактора NRU была начата в 1949 году. Это, в своей основе, канадская разработка, значительно усовершенствованная по сравнению с NRX. Он был построен как преемник реактора NRX в рамках Проекта по атомной энергии Национального исследовательского совета Канады в лабораториях Chalk River. Реактор NRX был самым мощным в мире источником нейтронов, когда начал работу в 1947 году. Не было известно, как долго может прослужить исследовательский реактор, поэтому руководство лабораторий Chalk River начало планировать реактор NRU, чтобы обеспечить непрерывность исследовательских программ. Поврежденный урановый топливный элемент загорелся и разорвался на две части при извлечении из активной зоны. Пожар был потушен, но значительное количество радиоактивных продуктов сгорания загрязнило внутреннее пространство здания реактора и, в меньшей степени, территорию вокруг лаборатории. Устранение последствий и ремонт заняли три месяца. NRU вновь приступил к работе в августе 1958 года. Были приняты меры предосторожности, чтобы никто не подвергся воздействию опасных уровней радиации, и за персоналом, участвовавшим в очистке, велось наблюдение в течение последующих десятилетий. Капрал по имени Бьярни Ганнибал Полсон, участвовавший в ликвидации последствий, заболел редкой формой рака кожи и получил пенсию по инвалидности. Каландрия NRU, сосуд, в котором происходят ядерные реакции, изготовлена из алюминия и была заменена в 1971 году из-за коррозии. С тех пор каландрия не заменялась, хотя, вероятно, потребуется вторая замена. Преимуществом конструкции NRU является возможность его разборки для модернизации и ремонта. В октябре 1986 года реактор NRU был признан Американским ядерным обществом историческим памятником ядерной отрасли. После вывода из эксплуатации реактора NRX в 1992 году, после 45 лет службы, для NRU не было предусмотрено резервного варианта. В 1994 году Бертраму Брокхаусу была присуждена Нобелевская премия по физике за его новаторские работы, проведенные на реакторах NRX и NRU в 1950-х годах. Он разработал научный метод, который сейчас используется во всем мире. В 1996 году AECL проинформировала Канадскую комиссию по ядерной безопасности (ранее известную как Совет по контролю за атомной энергией) о том, что эксплуатация реактора NRU не будет продлена после 31 декабря 2005 года. Ожидалось, что в течение этого времени будет построено новое сооружение. Однако замена не была построена, и в 2003 году AECL уведомила CNSC о намерении продолжать эксплуатацию реактора NRU после декабря 2005 года. Лицензия на эксплуатацию была первоначально продлена до 31 июля 2006 года, а в июле 2006 года было получено продление лицензии на 63 месяца, что позволило эксплуатировать NRU до 31 октября 2011 года. В мае 2007 года NRU установил новый рекорд по производству медицинских изотопов. В июне 2007 года в NRU был введен в эксплуатацию новый прибор для нейтронного рассеяния. Нейтронный рефлектометр D3 предназначен для исследования поверхностей, тонких пленок и межфазных границ. Метод нейтронной рефлектометрии позволяет получать уникальную информацию о материалах в нанометровом масштабе.
2007 год закрытие
18 ноября 2007 года реактор NRU был остановлен для проведения планового технического обслуживания. Это отключение было добровольно продлено, когда AECL приняла решение установить сейсмостойкие системы аварийного электроснабжения (EPS) к двум охлаждающим насосам реактора (в дополнение к уже имеющимся системам резервного питания переменного и постоянного тока), что требовалось в рамках продления лицензии на эксплуатацию, выданной Канадской комиссией по ядерной безопасности (CNSC) в августе 2006 года. Это привело к возникновению глобального дефицита радиоизотопов для медицинских целей, поскольку AECL не обеспечила альтернативные поставки. 11 декабря 2007 года Палата общин Канады, основываясь на консультациях с правительством, которые были представлены как совет "независимых экспертов", приняла экстренное законодательство, разрешающее перезапуск реактора NRU с завершенным одним из двух сейсмических подключений (одного насоса достаточно для охлаждения активной зоны) и разрешающее эксплуатацию реактора в течение 120 дней без одобрения CNSC. Законопроект C-38 был одобрен Сенатом и получил королевское утверждение 12 декабря. Премьер-министр Стивен Харпер обвинил CNSC, "назначенную либералами", в остановке реактора, которая "поставила под угрозу здоровье и безопасность десятков тысяч канадцев". Другие рассматривали действия и приоритеты премьер-министра и правительства в контексте защиты возможной продажи AECL частным инвесторам. Позднее, в мае 2009 года, правительство объявило о планах по продаже части AECL. Реактор NRU был перезапущен 16 декабря 2007 года. 29 января 2008 года бывший президент CNSC Линда Кин дала показания перед парламентским комитетом, заявив, что вероятность повреждения топлива в реакторе NRU составляет "1 случай на 1000 лет", и что этот риск в тысячу раз превышает "международные стандарты". Эти заявления были опровергнуты AECL. 2 февраля 2008 года было завершено второе сейсмическое подключение. Это произошло в пределах установленного законом C-38 120-дневного срока.
2009 Закрытие
В середине мая 2009 года была обнаружена значительная утечка тяжелой воды в основании корпуса реактора, что привело к временной остановке реактора. Утечка оценивалась в 5 кг (<5 литров) в час и была вызвана коррозией. Это была вторая утечка тяжелой воды с конца 2008 года. Реактор был выгружен из топлива и полностью лишен тяжелой воды-замедлителя. Во время утечки и выгрузки топлива не было превышено никаких установленных уровней радиоактивности, и вся вытекшая вода была локализована и обработана на месте. Реактор оставался остановленным до августа 2010 года. Длительная остановка была необходима для выгрузки топлива, определения полной степени коррозии корпуса и, наконец, проведения ремонта – все это с использованием дистанционного управления и ограниченного доступа с минимального расстояния 8 метров из-за остаточных радиоактивных полей внутри корпуса реактора. Остановка в 2009 году произошла в период, когда только один из четырех других в мире реакторов, регулярно производящих медицинские изотопы, работал, что привело к глобальному дефициту.
Вывод из эксплуатации
31 марта 2018 года, после распоряжения правительства о закрытии, NRU был окончательно остановлен до начала запланированного на 2028 год вывода из эксплуатации.
Производство изотопов
Атомы – это строительные блоки природы. В периодической таблице элементов перечислено целых 118 различных типов атомов, называемых элементами, таких как водород, азот или углерод. Атомы любого элемента могут существовать в нескольких вариантах массы, в зависимости от количества содержащихся в них нейтронов. Например, два атома углерода могут иметь массы 12 и 13 а.е.м. Оба являются атомами углерода, но один из них содержит дополнительный нейтрон. Они называются изотопами углерода. Не все изотопы стабильны. Нестабильный изотоп распадается до более стабильного состояния, высвобождая энергию и, возможно, одну или несколько частиц. Эти частицы и/или энергия, излучаемая этими радиоизотопами, используются в широком спектре медицинских, промышленных и научных приложений. С созданием реактора NRX впервые появилась возможность коммерческого производства изотопов, редко встречающихся в природе. В ядре работающего реактора содержатся миллиарды свободных нейтронов. Вводя в ядро образец материала, атомы в этом образце могут захватывать часть этих нейтронов и превращаться в более тяжелые изотопы. Производство медицинских изотопов стало канадским медицинским достижением в начале 1950-х годов. Реактор NRU продолжил дело NRX и до вывода из эксплуатации 31 марта 2018 года производил больше медицинских изотопов, чем любое другое предприятие в мире. Кобальт-60, производимый на NRU, используется в аппаратах для лучевой терапии, применяемых для лечения рака у 15 миллионов пациентов в 80 странах ежегодно. NRU производил около 75% мирового объема поставок. Распад кобальта-60 приводит к испусканию фотонов высокой энергии. Технеций-99m, производимый на NRU и используемый в диагностике 5 миллионов пациентов ежегодно, составлял около 80% всех процедур ядерной медицины. NRU производил более половины мирового объема. NRU производил ксенон-133, йод-131 и йод-125, которые используются в различных диагностических и терапевтических целях. Углерод-14, производимый на NRU, продавался химическим, биологическим и экологическим лабораториям, где он используется в качестве трассера. Иридий-192, производимый на NRU, используется в различных отраслях промышленности для контроля сварных швов и других металлических компонентов, чтобы убедиться в их безопасности. Ядро реактора NRU имело размеры примерно в ширину и в высоту, что необычно много для исследовательского реактора. Такой большой объем позволял производить изотопы в больших количествах. Другие исследовательские реакторы в мире производят изотопы для медицинского и промышленного использования, например, Европейский реактор высокого потока в Петтене (Нидерланды), реактор Мария в Польше и реактор OPAL в Австралии, который начал работу в апреле 2007 года. Первоначально планировалось вывести NRU из эксплуатации в октябре 2016 года. Поскольку до 2018 года не было производителей стабильных изотопов, готовых приступить к работе, правительство Канады разрешило NRU производить изотопы до марта 2018 года.
Исследования нейтронных пучков
Реактор NRU является базой для национального канадского центра рассеяния нейтронов: Канадского центра нейтронного пучка NRC. Рассеяние нейтронов – это метод, при котором пучок нейтронов направляется сквозь образец материала, и, в зависимости от того, как нейтроны рассеиваются атомами внутри, ученые могут определить множество деталей о кристаллической структуре и движении атомов в образце. Одним из первых пионеров этой техники был Бертрам Брокхаус, который создал одни из первых нейтронных спектрометров на реакторах NRX и NRU и был удостоен Нобелевской премии по физике в 1994 году за разработку нейтронной спектроскопии. Канадский центр нейтронного пучка NRC продолжает развивать эту область науки и сегодня, функционируя как учреждение открытого доступа, предоставляя ученым со всей Канады и мира возможность использовать нейтроны в своих исследовательских программах. Для развитых стран обычно характерна поддержка национальных центров для рассеяния нейтронов и рентгеновского рассеяния. Оба типа центров предоставляют взаимодополняющую информацию о материалах. Необычной особенностью реактора NRU как национального источника нейтронов Канады является его многофункциональность: он способен производить изотопы и поддерживать ядерные исследования и разработки одновременно с обеспечением нейтронами комплекса приборов для рассеяния нейтронов. Реактор NRU иногда (неверно) описывают просто как ядерное исследовательское учреждение. Однако рассеяние нейтронов – это не ядерные исследования, а исследования материалов. Нейтроны являются идеальным инструментом для изучения материалов, включая металлы, сплавы, биоматериалы, керамику, магнитные материалы, минералы, полимеры, композиты, стекла, наноматериалы и многие другие. Ежегодно университеты и предприятия Канады используют приборы рассеяния нейтронов в Канадском центре нейтронного пучка NRC, поскольку знание свойств материалов важно для инноваций во многих отраслях.
Исследования и разработки в области ядерной энергетики
Внутри активной зоны крупного реактора, вырабатывающего электроэнергию, такого как CANDU или PWR, содержится большое количество свободных нейтронов и высокий уровень гамма-излучения, образующегося в процессе ядерного деления. Для инженеров и ученых важно понимать, как эта среда воздействует на материалы, из которых изготовлен реактор. Эти знания необходимы для проектирования реактора с длительным сроком эксплуатации. Реактор NRU имеет встроенные в активную зону испытательные стенды, позволяющие воспроизводить условия, существующие внутри крупного реактора, вырабатывающего электроэнергию. Сам NRU не вырабатывает пар (или электроэнергию); его охлаждающая вода нагревается примерно до 55 градусов Цельсия. Однако внутри испытательных стендов можно создавать высокие температуры и давления. Крайне важно испытывать различные материалы перед их использованием при строительстве атомной электростанции. Фундаментальные знания, полученные на NRU, позволили разработать реактор CANDU и являются основой канадской ядерной индустрии.