Реакторы SLOWPOKE: конструкция и применение исследовательских ядерных реакторов

Введение

Семейство ядерных исследовательских реакторов

SLOWPOKE (акроним от Safe LOW POwer Kritical Experiment) – это семейство низкоэнергетических ядерных исследовательских реакторов бассейнового типа, разработанных компанией Atomic Energy of Canada Limited (AECL) начиная с конца 1960-х годов. Джон У. Хилборн (родился в 1926 или 1927 году) – ученый, наиболее тесно связанный с их разработкой. Реакторы имеют бериллиевый отражатель и очень низкую критическую массу, но обеспечивают нейтронные потоки, превышающие те, которые доступны от небольших ускорителей частиц или других радиоактивных источников.

Основная конструкция

Реакторы SLOWPOKE 2 (самые многочисленные из семейства реакторов SLOWPOKE) первоначально использовали 93% высокообогащенный уран в виде 28% сплава урана и алюминия с алюминиевой оболочкой, а затем в 1985 году была введена в эксплуатацию новая конструкция с низкообогащенным ураном (около 19,9% обогащенного) с использованием керамического топлива UO2. Активная зона представляет собой сборку из примерно 200-300 топливных стержней диаметром и высотой, окруженных фиксированным бериллиевым кольцом и нижней бериллиевой плитой. Критичность поддерживается по мере выгорания топлива путем добавления бериллиевых пластин в лоток, расположенный над активной зоной. Активная зона реактора находится в бассейне обычной легкой воды диаметром и глубиной, который обеспечивает охлаждение за счет естественной конвекции. Помимо пассивного охлаждения, реактор обладает высокой степенью внутренней безопасности, то есть способен саморегулироваться пассивными, естественными способами, например, замедлением цепной реакции при нагреве воды или образовании в ней пузырьков. Эти характеристики настолько выражены, что реактору SLOWPOKE 2 разрешено работать без присмотра в ночное время (но с дистанционным мониторингом). Большинство реакторов SLOWPOKE имеют номинальную мощность 20 кВт, хотя кратковременная работа на более высокой мощности также возможна.

SLOWPOKE-1 и SLOWPOKE-2

Исследовательский реактор SLOWPOKE был разработан в 1967 году в лабораториях Whiteshell AECL. В 1970 году был спроектирован и построен прототип под названием SLOWPOKE (как название реактора, так и обозначение класса реакторов, в который он входил – всего два реактора; особенно позднее, когда появились последующие поколения реакторов SLOWPOKE, реакторы этого типа стали называться SLOWPOKE 1) на площадке Chalk River Laboratories. Он предназначался главным образом для канадских университетов, обеспечивая более высокий нейтронный поток, чем доступный от небольших коммерческих ускорителей, при этом избегая сложности и высоких эксплуатационных расходов существующих ядерных реакторов. Прототип в Chalk River достиг критического состояния в 1970 году и был перенесен в Университет Торонто в 1971 году. Он имел одно место для образцов в бериллиевом отражателе и работал на мощности 5 кВт. В 1973 году мощность была увеличена до 20 кВт, а время автономной работы – с 4 до 18 часов. Реактор был демонтирован в 1976 году и заменен в Университете Торонто реактором SLOWPOKE 2 следующего поколения. Строительство первого коммерческого образца началось в 1970 году, а запуск состоялся 14 мая 1971 года в подразделении коммерческой продукции AECL по адресу Tunney's Pasture, 20 Goldenrod Driveway, Оттава, Онтарио. Его мощность составляла 20 кВт (тепловая), и он относился к типу SLOWPOKE/SLOWPOKE 1. Реактор был прототипом и был остановлен в 1984 году. Было построено два реактора типа SLOWPOKE, также известного как SLOWPOKE 1. Оба реактора были выведены из эксплуатации. В 1976 году была установлена в Университете Торонто, заменив оригинальный блок SLOWPOKE 1 (см. выше), коммерческая конструкция следующего поколения под названием SLOWPOKE 2 (опять же, как название реактора, так и класс реакторов, другие представители которого были построены в других местах). Коммерческая модель имеет пять мест для образцов в бериллиевом отражателе и пять мест за пределами отражателя. В период с 1976 по 1985 год в шести канадских городах и в Кингстоне (Ямайка) было введено в эксплуатацию еще семь реакторов SLOWPOKE 2 с топливом из высокообогащенного урана (HEU). В 1985 году первый реактор SLOWPOKE 2 с низкообогащенным ураном (LEU) был введен в эксплуатацию в Королевском военном колледже Канады (RMC) в Кингстоне, Онтарио. С тех пор пять реакторов SLOWPOKE 2 были выведены из эксплуатации (Исследовательский совет Саскачевана, Университет Торонто, Университет Альберты, Университет Далхаузи и реактор AECL/MDS Nordion в Канате), а три были переведены на LEU (Политехнический университет Монреаля, Университет Вест-Индии и Королевский военный колледж Канады). Всего было построено восемь реакторов SLOWPOKE 2, семь в Канаде и один на Ямайке. По состоянию на 2022 год из восьми реакторов три находятся в эксплуатации (использующие/переведенные на LEU), а пять выведены из эксплуатации.

The SLOWPOKE research reactor was conceived in 1967 at the Whiteshell Laboratories of AECL. In 1970 a prototype unit called SLOWPOKE (both the name of the reactor and of the prototype reactor class of 2 reactors it was a member of; especially later when further generations of SLOWPOKE reactors had appeared, these type of reactors were named SLOWPOKE 1), was designed and built at Chalk River Laboratories. It was primarily intended for Canadian universities, providing a higher neutron flux than available from small commercial accelerators, while avoiding the complexity and high operating costs of existing nuclear reactors. The Chalk River prototype went critical in 1970, and was moved to the University of Toronto in 1971. It had one sample site in the beryllium reflector and operated at a power level of 5 kW. In 1973 the power was increased to 20 kW and the period of unattended operation was increased from 4 hours to 18 hours. The reactor was dismantled in 1976 and replaced in University of Toronto by a next generation SLOWPOKE 2 reactor. The first commercial example started construction in 1970 and was started up 14 May 1971 at AECL's Commercial Products Division in Tunney's Pasture 20 Goldenrod Driveway, Ottawa, Ontario. It had a power output of 20 kW (thermal) and it was of the SLOWPOKE/SLOWPOKE 1 type. The reactor was a prototype and was shut down 1984. Two reactors of SLOWPOKE aka SLOWPOKE 1 type were built. Both reactors have been decommissioned. In 1976 a next generation commercial design, named SLOWPOKE 2 (again both the name of the reactor and reactor class, further members of which were constructed elsewhere), was installed at the University of Toronto, replacing the original SLOWPOKE 1 unit (see above). The commercial model has five sample sites in the beryllium reflector and five sites stationed outside the reflector. Between 1976 and 1985, further seven SLOWPOKE 2 reactors with Highly Enriched Uranium (HEU) fuel were commissioned in six Canadian cities and in Kingston, Jamaica. In 1985 the first Low Enriched Uranium (LEU) fuelled SLOWPOKE 2 reactor was commissioned at the Royal Military College of Canada (RMC) in Kingston, Ontario. Since then five SLOWPOKE 2 reactors have been decommissioned (Saskatchewan Research Council, University of Toronto, University of Alberta, Dalhousie University, and AECL/MDS Nordion reactor in Kanata), and three converted to LEU (Polytechnique Montreal , University of the West Indies and Royal Military College of Canada ). All in all, eight SLOWPOKE 2 reactors were built, seven in Canada and one in Jamaica. as of 2022, of the eight, three are operational (the ones using/converted for LEU) and five have been decommissioned.

SLOWPOKE-3 и SLOWPOKE-4

AECL также спроектировала и построила (начало строительства в 1985 году, начало эксплуатации в 1987 году) увеличенную версию (2 × 10 МВттепловых) под названием демонстрационный реактор SLOWPOKE (SDR, SLOWPOKE 3) для теплоснабжения в своем Ядерном исследовательском центре Whiteshell в провинции Манитоба. Экономическая эффективность системы теплоснабжения, основанной на технологии SDR, оценивалась как конкурентоспособная по сравнению с традиционными видами ископаемого топлива. Однако рынок для этой технологии не сформировался, и предлагаемый SES 10 (SLOWPOKE 4, разработанный с учетом опыта SDR) так и не был построен, а SDR был остановлен для вывода из эксплуатации в 1989 году.

Морской источник энергии

В середине 1980-х годов Канада на короткое время рассматривала возможность переоборудования подводных лодок класса "Оберон" для работы на ядерной энергии, используя ядерный реактор SLOWPOKE для постоянной подзарядки аккумуляторных батарей во время подводного плавания. В Королевском военном колледже Канады было проведено значительное количество исследований по возможным применениям этого реактора в морской сфере.

Текущие приложения

Реакторы SLOWPOKE используются главным образом для анализа активации нейтронов (NAA), в исследовательских целях и в качестве коммерческой услуги, а также для обучения, проведения облучающих исследований, нейтронной радиографии (только в Королевском военном колледже Канады) и производства радиоактивных индикаторов. Основными преимуществами этой конструкции реактора являются его надежность и простота использования, а также воспроизводимость нейтронного потока. Поскольку топливо не изменяется в течение как минимум 20 лет, нейтронный спектр в местах облучения не меняется, а нейтронный поток воспроизводится с точностью до 1%. Три из первоначальных реакторов до сих пор находятся в эксплуатации. Хотя все технические цели, поставленные перед этим реактором, были достигнуты, отсутствие зарубежных продаж оказалось разочаровывающим. Лицензия на эксплуатацию неэнергетического реактора Королевского военного колледжа Канады была продлена и будет действовать с 1 июля 2023 года по 30 июня 2043 года. RMC эксплуатирует небольшой реактор SLOWPOKE 2 (номинальная мощность реактора 20 кВт) с 1985 года (начало строительства и эксплуатации в 1985 году). В феврале 1999 года к комплексу SLOWPOKE 2 была добавлена трубка для вывода нейтронного пучка для проведения радиографии и томографии (двухмерных и трехмерных методов неразрушающего контроля). Лицензия на эксплуатацию неэнергетического реактора SLOWPOKE 2 (20 кВт тепловой мощности) в École Polytechnique de Montréal была продлена и будет действовать с 1 июля 2013 года по 30 июня 2023 года. Реактор работает уже 36 лет (строительство началось в 1975 году, эксплуатация – в 1976 году) и используется для исследований, обучения, генерации нейтронов и производства изотопов. Международный центр экологических и ядерных наук Университета Вест-Индии в Кингстоне (Ямайка) продолжает эксплуатировать реактор SLOWPOKE 2, который в 2015 году был переведен на низкообогащенный уран (LEU) в партнерстве с Национальным управлением по ядерной безопасности (NNSA) и при содействии МАГАТЭ.

Предыдущие заявки

Два реактора SLOWPOKE/SLOWPOKE 1 (из 2 построенных), пять реакторов SLOWPOKE 2 (из 8 построенных) и единственный реактор SLOWPOKE 3 (из 1 построенного) были выведены из эксплуатации. Реактор SLOWPOKE 4 так и не был построен. Университет Далхаузи подал заявку и получил лицензию на выгрузку топлива и вывод из эксплуатации реактора SLOWPOKE 2, который являлся частью Исследовательского центра анализа следов при Университете Далхаузи в Галифаксе, Новая Шотландия, 31 августа 2011 года. Реактор SLOWPOKE 2 (20 кВт тепловой мощности) был построен и начал работу в 1976 году; он был демонтирован в 2011 году. Реактор SLOWPOKE/SLOWPOKE 1 Университета Торонто (сначала 5, затем 20 кВт тепловой мощности) впервые заработал в лабораториях Chalk River в 1970 году и в Университете Торонто в 1971–1976 годах. Реактор SLOWPOKE/SLOWPOKE 1 был демонтирован в 1976 году. Реактор SLOWPOKE 2 Университета Торонто (20 кВт тепловой мощности) работал с 1976 по 31 декабря 1998 года. Университет Торонто подал заявку и получил лицензию на вывод из эксплуатации своего ядерного исследовательского реактора SLOWPOKE 2 в 2001 году. Реактор SLOWPOKE/SLOWPOKE 1 Коммерческого подразделения AECL (Tunney's Pasture, 20 Goldenrod Driveway, Оттава, Онтарио) (20 кВт тепловой мощности) работал с 1971 по 1984 год. Здание, в котором он находился, впоследствии было снесено. Реактор SLOWPOKE 2 Университета Альберты (20 кВт тепловой мощности) работал с 22 апреля 1977 года до демонтажа 5 августа 2017 года. Университет Альберты подал заявку и получил лицензию на вывод из эксплуатации своего ядерного исследовательского реактора SLOWPOKE 2 в 2017 году. Консоль реактора SLOWPOKE Университета Альберты (U of A) теперь является частью коллекции Общества по сохранению ядерного наследия Канады, Inc., в Дип-Ривер, Онтарио, вместе с другими артефактами SLOWPOKE. Реактор SLOWPOKE 2 Исследовательского совета Саскачевана (16 кВт тепловой мощности) работал с 1981 года до остановки в декабре 2017 года. Ожидалось, что вывод из эксплуатации будет завершен примерно в 2020 году. Реактор SLOWPOKE 2 (20 кВт тепловой мощности), расположенный в Каната, первоначально принадлежавший и эксплуатировавшийся AECL, а затем MDS Nordion, начал строиться и эксплуатироваться в 1984 году. Он был остановлен в 1989 году. Демонстрационный реактор SLOWPOKE (SDR или SLOWPOKE 3; 2 x 10 МВтт) на Ядерном исследовательском комплексе Уайтшелл AECL работал с 1987 по 1989 год (строительство началось в 1985 году). Предлагаемый реактор SES 10 (SLOWPOKE 4) так и не был построен.

Two of the SLOWPOKE/SLOWPOKE 1 reactors (out of 2 built), five of the SLOWPOKE 2 reactors (out of 8 built) and the single SLOWPOKE 3 reactor (out of 1 built) have been decommissioned. No SLOWPOKE 4 reactor was ever built. Dalhousie University applied for, and was issued, a Licence to de fuel, and decommission the SLOWPOKE 2 Reactor Facility, which was part of Dalhousie’s Trace Analysis Research Centre in Halifax, Nova Scotia on August 31, 2011. Dalhousie's SLOWPOKE 2 reactor (20 kW thermal) was built and started operation in 1976; it was dismantled 2011. The University of Toronto’s SLOWPOKE/SLOWPOKE 1 reactor (first 5 then 20 kW thermal) operated first in Chalk River Laboratories in 1970 and in the University of Toronto 1971 1976. The SLOWPOKE/SLOWPOKE 1 reactor was dismantled in 1976. University of Toronto’s SLOWPOKE 2 reactor (20 kW thermal) operated from 1976 until December 31, 1998. The University of Toronto applied for, and was issued, a Licence to Decommission its SLOWPOKE 2 Nuclear Research Reactor Facility in 2001. The AECL's Commercial Products Division (Tunney's Pasture 20 Goldenrod Driveway, Ottawa, Ontario) SLOWPOKE/SLOWPOKE 1 reactor (20 kW thermal) operated 1971 1984. The building that housed it has since been demolished. University of Alberta’s SLOWPOKE 2 reactor (20 kW thermal) operated from April 22, 1977 until being dismantled on August 5, 2017. The University of Alberta applied for, and was issued a Licence to Decommission its SLOWPOKE 2 Nuclear Research Reactor Facility in 2017. The U of A SLOWPOKE console is now part of the collection of the Society for the Preservation of Canada's Nuclear Heritage, Inc, in Deep River, Ontario, along with other SLOWPOKE artifacts. Saskatchewan Research Council's SLOWPOKE 2 reactor (16 kW thermal) operated from 1981, until being shut down in December 2017. Decommissioning was expected to be completed sometime in 2020. The SLOWPOKE 2 reactor (20 kW thermal) located in Kanata, originally owned and operated by AECL and later by MDS Nordion, started construction and operation in 1984. It was shut down 1989. The SLOWPOKE Demonstration Reactor (SDR or SLOWPOKE 3; 2 10 MWth) at AECL's Whiteshell Nuclear Research Establishment operated 1987–1989 (start of construction 1985). The proposed SES 10 (SLOWPOKE 4) reactor was never built.