Выведенный из эксплуатации исследовательский реактор NRX в Chalk River

Введение

Выведенный из эксплуатации исследовательский ядерный реактор

NRX (National Research Experimental) был ядерным исследовательским реактором с замедлителем из тяжелой воды и охлаждением из легкой воды, расположенным в канадских лабораториях Chalk River. Он был введен в эксплуатацию в 1947 году с проектной мощностью 10 МВт (тепловой), которая к 1954 году была увеличена до 42 МВт. На момент строительства это было самое дорогое научное сооружение в Канаде и самый мощный в мире ядерный исследовательский реактор. NRX отличался как высокой тепловой мощностью, так и интенсивным потоком свободных нейтронов. При работе ядерного реактора, такого как NRX, его ядерная цепная реакция генерирует большое количество свободных нейтронов. В конце 1940-х годов NRX являлся самым интенсивным источником нейтронов в мире. 12 декабря 1952 года на NRX произошла одна из первых крупных аварий на ядерных реакторах в мире. Реактор начал работу 22 июля 1947 года под управлением Национального исследовательского совета Канады и вскоре перед аварией 1952 года был передан компании Atomic Energy of Canada Limited (AECL). Последствия аварии были устранены, и реактор был вновь запущен в течение двух лет. NRX проработал 45 лет и был окончательно остановлен 30 марта 1993 года. В настоящее время на площадке лабораторий Chalk River ведутся работы по выводу реактора из эксплуатации. NRX был преемником первого канадского реактора ZEEP. Поскольку ожидаемый срок службы исследовательского реактора был невеликим, в 1948 году началось планирование строительства преемника – Национального исследовательского универсального реактора, который достиг самоподдерживающейся цепной реакции (или "стал критическим") в 1957 году.

Дизайн

Реактор с тяжелой водой управляется двумя основными процессами. Во-первых, вода замедляет (умеряет) нейтроны, образующиеся при ядерном делении, увеличивая вероятность того, что высокоэнергетические нейтроны вызовут дальнейшие реакции деления. Во-вторых, контрольные стержни поглощают нейтроны и регулируют уровень мощности или останавливают реактор в ходе нормальной работы. Введение контрольных стержней или удаление тяжеловодородного замедлителя может остановить реакцию. Реактор NRX включал в себя каландрию – герметичный вертикальный алюминиевый цилиндрический сосуд диаметром и высотой . Внутри сосуда находилось около 175 вертикальных труб, расположенных в гексагональной решетке, заполненных тяжелой водой и гелием для вытеснения воздуха и предотвращения коррозии. Уровень воды в реакторе можно было регулировать для установки необходимого уровня мощности. Внутри вертикальных труб, окруженных воздухом, располагались топливные элементы или экспериментальные образцы. Эта конструкция стала предшественницей реакторов CANDU. Топливные элементы содержали топливные стержни длиной , диаметром и весом , содержащие урановое топливо и заключенные в алюминиевую оболочку. Вокруг топливного элемента находилась алюминиевая трубка с охлаждающей водой из реки Оттава, протекающей через нее. Между охлаждающей оболочкой и каландрией поддерживался воздушный поток . Двенадцать вертикальных труб содержали контрольные стержни, изготовленные из порошка карбида бора, помещенного в стальные трубы. Их можно было поднимать и опускать для управления реакцией, и введения любых семи стержней было достаточно для поглощения достаточного количества нейтронов, чтобы предотвратить цепную реакцию. Стержни удерживались электромагнитами, поэтому при отключении электроэнергии они падали в трубы, останавливая реакцию. Пневматическая система могла использовать давление воздуха сверху для быстрого опускания стержней в активную зону реактора или снизу для медленного подъема. Четыре из них составляли аварийный банк, а остальные восемь управлялись в автоматической последовательности. Две кнопки на главной панели в машинном зале активировали магниты для фиксации стержней в пневматической системе, а кнопка, вызывающая пневматическое введение стержней в активную зону, находилась в нескольких метрах от нее.

A heavy water moderated reactor is governed by two main processes. First, the water slows down (moderates) the neutrons which are produced by nuclear fission, increasing the chances of the high energy neutrons causing further fission reactions. Second, control rods absorb neutrons and adjust the power level or shut down the reactor in the course of normal operation. Either inserting the control rods or removing the heavy water moderator can stop the reaction. The NRX reactor incorporated a calandria, a sealed vertical aluminium cylindrical vessel with a diameter of and height of The core vessel held about 175 vertical tubes in a hexagonal lattice, of heavy water and helium gas to displace air and prevent corrosion. The level of water in the reactor could be adjusted to help set the power level. Sitting in the vertical tubes and surrounded by air were fuel elements or experimental items. This design was a forerunner of the CANDU reactors. The fuel elements contained fuel rods long, in diameter and weighing , containing uranium fuel and sheathed in aluminium. Surrounding the fuel element was an aluminium coolant tube with up to of cooling water from the Ottawa River flowing through it. Between the coolant sheath and the calandria an air flow of was maintained. Twelve of the vertical tubes contained control rods made of boron carbide powder inside steel tubes. These could be raised and lowered to control the reaction, with any seven inserted being enough to absorb sufficient neutrons that no chain reaction could happen. The rods were held up by electromagnets, so that a power failure would cause them to fall into the tubes and terminate the reaction. A pneumatic system could use air pressure from above to quickly force them into the reactor core or from below to slowly raise them from it. Four of these were called the safeguard bank while the other eight were controlled in an automatic sequence. Two pushbuttons on the main panel in the control room activated magnets to seal the rods to the pneumatic system, and the pushbutton to cause the pneumatic insertion of the rods into the core was located a few feet away.

История

NRX на некоторое время был самым мощным исследовательским реактором в мире, что позволило Канаде выйти на передовые позиции в области физических исследований. Возникший в результате сотрудничества Великобритании, Соединенных Штатов и Канады во время Второй мировой войны, NRX представлял собой многоцелевой исследовательский реактор, использовавшийся для разработки новых изотопов, испытания материалов и топлива, а также для получения пучков нейтронного излучения, ставшего незаменимым инструментом в развивающейся области физики конденсированного состояния. Ядерно-физическая конструкция NRX была разработана в Монреальской лаборатории Национального исследовательского совета Канады, созданной в Монреальском университете во время Второй мировой войны для привлечения команды канадских, британских и других европейских ученых к сверхсекретным исследованиям тяжелой воды. Когда было принято решение о строительстве NRX на территории, ныне известной как Chalk River Laboratories, детальное инженерное проектирование было передано канадской компании Defence Industries Limited (DIL), которая заключила субподряд на строительство с Fraser Brace Ltd. В первые годы лучевой терапии рака реактор NRX был единственным в мире источником изотопа кобальта-60, впервые использованного для облучения опухолей в 1951 году. В 1994 году доктор Бертрам Брокхаус разделил Нобелевскую премию по физике за свою работу в NRX в 1950-х годах, которая усовершенствовала методы обнаружения и анализа, используемые в области нейтронного рассеяния для исследований конденсированного состояния. Реактор CIRUS, основанный на этой конструкции, был построен в Индии и впоследствии использовался для производства плутония для индийского ядерного испытания "Улыбающийся Будда". Утверждается, что термин "crud" первоначально расшифровывался как "Chalk River Unidentified Deposit" (неопознанное отложение реки Чалк), использовавшийся для описания радиоактивного налета, образующегося на внутренних компонентах реактора, впервые обнаруженного на объекте NRX. С тех пор "crud" стал общеупотребительным термином для обозначения "Corrosion Related Unidentified Deposit" (неопознанное отложение, связанное с коррозией) и подобных выражений и часто используется без привязки к Chalk River.

Несчастный случай

12 декабря 1952 года реактор NRX подвергся частичному расплавлению вследствие ошибки оператора и механических проблем в системах аварийного останова. Для проведения испытаний некоторые топливные каналы были отключены от охлаждения водой под высоким давлением и подключены шлангами к временной системе охлаждения; один канал малой мощности охлаждался только воздушным потоком. Во время испытаний при малой мощности, при низком расходе теплоносителя через активную зону, руководитель заметил, что несколько управляющих стержней были извлечены из активной зоны; оператор в подвале ошибочно открыл пневматические клапаны. Неправильно открытые клапаны были немедленно закрыты, но некоторые управляющие стержни не вернулись в активную зону и застряли в почти выведенном положении, однако все еще достаточно низко, чтобы их индикаторы показывали, что они опущены. Из-за недопонимания между руководителем и оператором в диспетчерской, были нажаты неверные кнопки, когда руководитель попросил опустить управляющие стержни в активную зону. Вместо герметизации извлеченных стержней в пневматическую систему, защитный блок из четырех управляющих стержней был случайно извлечен из активной зоны. Оператор заметил, что мощность экспоненциально возрастает, удваиваясь каждые 2 секунды, и произвел аварийную остановку реактора. Однако три защитных управляющих стержня не были вставлены в активную зону, а вставка четвертого заняла аномально долгое время – около 90 секунд, в то время как мощность продолжала расти. Через 10 секунд мощность активной зоны достигла 17 МВт(тепловых). Вода охлаждения закипела в некоторых трубках, подключенных к временной системе охлаждения, и некоторые из них лопнули; положительный коэффициент пустотного эффекта реактора привел к дальнейшему увеличению мощности. Примерно через 14 секунд клапаны были вручную открыты для слива тяжеловодородного замедлителя из каландрии. Поскольку это заняло некоторое время, чтобы подействовать, мощность продолжала возрастать еще в течение 5 секунд, достигнув пика примерно в 100 МВт, после чего начала снижаться по мере уменьшения уровня замедлителя, достигнув нуля через 25 секунд. Вся авария, от малой до высокой и затем до нулевой мощности, заняла около 108 секунд. Тем временем, некоторые топливные элементы расплавились и были пробиты в нескольких местах; гелиевый защитный газ вытек, и внутрь был затянут воздух. Водород и другие газы образовались в результате радиационной диссоциации теплоносителя, и через 3–4 минуты произошел взрыв оксиводорода в каландрии. Во время инцидента некоторые газообразные продукты деления были выброшены в атмосферу, а тяжелая вода в каландрии была загрязнена теплоносителем и продуктами деления. Очистка здания реактора потребовала нескольких месяцев работы, в которой участвовали 150 военнослужащих ВМС США после того, как адмирал Риковер запросил разрешение на отправку персонала атомных подводных лодок США для изучения опыта ликвидации ядерного загрязнения. В состав американского контингента входил будущий президент США Джимми Картер, в то время лейтенант программы атомных подводных лодок США, который руководил группой из 12 человек. Ядро и каландра реактора NRX, поврежденные без возможности восстановления, были удалены и захоронены, а на их место была установлена улучшенная замена; восстановленный реактор был введен в эксплуатацию через 14 месяцев и 5 дней после аварии. Работы по очистке в основном выполнялись 850 сотрудниками Atomic Energy of Canada, при поддержке около 170 канадских и 150 американских военнослужащих, а также 20 подрядчиков. Уроки, извлеченные из аварии 1952 года, значительно продвинули область безопасности реакторов, а концепции, которые она выявила (разнообразие и независимость систем безопасности, гарантированная возможность аварийного останова, эффективность человеко-машинного интерфейса), стали фундаментальными принципами проектирования реакторов. Этот инцидент стал первой в мире серьезной аварией на ядерном реакторе.

On December 12, 1952, the NRX reactor suffered a partial meltdown due to operator error and mechanical problems in the shut off systems. For test purposes, some of the fuel channels had been disconnected from high pressure water cooling and were connected by hoses to a temporary cooling system; one low power channel was cooled only by airflow. During tests at low power, with low coolant flux through the core, the supervisor noticed several control rods being pulled from the core; an operator in the basement had incorrectly opened pneumatic valves. The wrongly opened valves were immediately closed, but some of the control rods did not reenter the core and stuck in almost withdrawn positions, but still low enough for their status lights to indicate them as lowered. Due to a miscommunication between the supervisor and the control room operator, wrong buttons were pressed when the supervisor asked to lower the control rods into the core. Instead of sealing the withdrawn control rods to the pneumatic system, the safeguard bank of four control rods was accidentally withdrawn from the core. The operator noticed that the power level was exponentially increasing, doubling each 2 seconds, and tripped the reactor. Three of the safeguard control rods, however, were not inserted into the core and the fourth took an abnormally long time, about 90 seconds, to insert, while the power kept rising. After just 10 seconds the core reached 17 MW(thermal) The cooling water boiled in some tubes connected to the temporary cooling system, and some of them ruptured; the positive void coefficient of the reactor led to a further power increase. About 14 seconds later valves were manually opened to drain the heavy water moderator from the calandria. As this took some time to become effective, power increased for 5 more seconds, peaked at an estimated 100 MW, then went down as the moderator level decreased and was at zero 25 seconds later. The whole accident, from low to high to zero power took about 108 seconds. Meanwhile, some fuel elements melted and were pierced in several places; the helium cover gas leaked and air was aspirated inside. Hydrogen and other gases evolved by radiation induced dissociation of cooling water, and 3–4 minutes later oxyhydrogen exploded in the calandria. During the incident, some gaseous fission products were vented to the atmosphere, and heavy water in the calandria was contaminated with the cooling water and the fission products. Clean up of the reactor building required several months of work, assisted by 150 US Navy personnel after Admiral Rickover requested permission to send US nuclear submarine personnel to learn about cleaning up nuclear contamination. The US contingent included future US president Jimmy Carter, at the time a lieutenant in the US nuclear submarine program who was in charge of 12 men. The NRX reactor core and calandria, damaged beyond repair, were removed and buried, and an improved replacement was installed; the refurbished reactor started operating 14 months and 5 days after the accident. The clean up was primarily performed by 850 Atomic Energy of Canada staff, assisted by about 170 Canadian and 150 U. S. military personnel, and 20 contractors. The lessons learned in the 1952 accident advanced the field of reactor safety significantly, and the concepts it highlighted (diversity and independence of safety systems, guaranteed shutdown capability, efficiency of man machine interface) became fundamentals of reactor design. The incident was the world's first severe nuclear reactor accident.