Графітовий реактор X-10

X-10
Робітники графітового реактора використовують стрижень, щоб закласти свіжі уранові гранули в бетонний завантажувальний корпус реактора.
Технічні характеристики
Теплоносійповітря
Паливо(металічний уран)
паливні (гранули)
Розробка
Підприємство-розробникМеталургійна лабораторія Чиказького університету
Будівництво та експлуатація
МісцезнаходженняНаціональна лабораторія Оук-Ридж, Оук-Ридж
Перший пуск1943
Експлуатація до:1943 — 1963
Побудовано реакторів1
CMNS: X-10 у Вікісховищі

Графітовий реактор X-10 (англ. X-10 Graphite Reactor) — виведений з експлуатації ядерний реактор у Національній лабораторії Оук-Рідж в Оук-Ріджі, штат Теннессі. Раніше відомий як Clinton Pile і X-10 Pile, був другий у світі штучний ядерний реактор (після Чиказької дровітні-1 Енріко Фермі) і перший, розроблений і побудований для безперервної роботи. Побудований під час Другої світової війни в рамках Манхеттенського проекту.

У той час як Чиказька дровітня продемонструвала доцільність ядерних реакторів, мета Манхеттенського проекту — виробити достатньо плутонію для атомних бомб — потребувала реакторів у тисячу разів потужніших, а також установок для хімічного відділення плутонію, що утворюється в реакторах, від урану та продуктів ділення. Проміжний крок вважався розумним. Наступним кроком плутонієвого проекту під кодовою назвою X-10 стало будівництво напівзаводу, де можна було б розробити методи та процедури та провести навчання. Центральним елементом цього був графітовий реактор X-10. Він мав повітряне охолодження, використовував ядерний графіт як сповільнювач нейтронів і чистий природний уран у формі металу як паливо.

2 лютого 1943 року DuPont розпочала будівництво напівзаводу з виробництва плутонію на інженерному заводі Клінтона в Оук-Ріджі. 4 листопада 1943 року реактор вийшов з ладу, а на початку 1944 року виробив перший плутоній. Поставив лабораторії Лос-Аламоса перші значні обсяги плутонію та свій перший продукт, вирощений у реакторі. Дослідження цих зразків сильно вплинуло на дизайн бомби. Реактор і установка хімічного розділення дали безцінний досвід для інженерів, техніків, операторів реакторів і спеціалістів з безпеки, які потім переїхали на об’єкт у Хенфорді. X-10 працював як завод з виробництва плутонію до січня 1945 року, потім його було передано дослідницькій діяльності та виробництву радіоактивних ізотопів для наукових, медичних, промислових і сільськогосподарських цілей. У 1963 році був закритий, а в 1965 році був визнаний національною історичною пам’яткою.

Початок

Відкриття ядерного поділу німецькими хіміками Отто Ганом і Фріцем Штрассманом у 1938 році[1] з подальшим його теоретичним поясненням (і названням) Лізою Майтнер і Отто Фрішем[2] відкрило можливість контрольованої ланцюгової ядерної реакції з ураном. У Колумбійському університеті Енріко Фермі та Лео Сілард почали досліджувати, як це можна зробити на практиці[3]. Сілард склав проект конфіденційного листа до президента Сполучених Штатів Франкліна Д. Рузвельта, пояснюючи можливість створення атомних бомб і попереджаючи про небезпеку німецького проекту ядерної зброї. Він переконав свого старого друга та співробітника Альберта Ейнштейна підписати його, надавши цій пропозиції свою славу[4]. Це призвело до того, що уряд США підтримав дослідження ядерного поділу[5], які стали називатись Манхеттенським проектом[6].

У квітні 1941 року Комітет з досліджень національної оборони (NDRC) попросив Артура Комптона, лауреата Нобелівської премії, професора фізики Чиказького університету, доповісти про уранову програму. Його доповідь, подана в травні 1941 року, передбачала перспективи розробки радіологічна зброї, ядерних двигунів для кораблів і ядерної зброї з використанням урану-235 або нещодавно відкритого плутонію[7]. У жовтні він написав ще одну доповідь про практичність атомної бомби[8]. Нільс Бор і Джон Вілер висунули теорію про те, що важкі ізотопи з парними атомними номерами та непарною кількістю нейтронів розщеплюються. Якщо так, то, швидше за все, це мав бути плутоній-239[9].

У травні 1941 року Еміліо Сегре та Гленн Сіборг з Каліфорнійського університету виробили 28 мкг плутонію на 60-дюймовому циклотроні й виявили, що його перетин захоплення теплових нейтронів у 1,7 рази перевищує перетин урану-235. У той час плутоній-239 вироблявся в незначних кількостях за допомогою циклотронів, але таким чином було неможливо виробляти великі кількості[10]. Комптон обговорив з Юджином Вігнером з Прінстонського університету, як плутоній можна виробляти в ядерному реакторі, і з Робертом Сербером, як плутоній, вироблений у реакторі, можна відокремити від урану[8].

У остаточному проекті звіту Комптона за листопад 1941 року не згадувалося про використання плутонію, але після обговорення останніх досліджень з Ернестом Лоуренсом Комптон переконався, що плутонієва бомба також можлива. У грудні Комптон був призначений відповідальним за плутонієвий проект[11], який отримав кодову назву X-10[12]. Його цілями були створення реакторів для перетворення урану в плутоній, пошук способів хімічного відділення плутонію від урану, а також розробка та виготовлення атомної бомби[9][13]. Комптону випало вирішити, який із різних типів реакторів слід досліджувати вченим, навіть якщо успішний реактор ще не був побудований[14]. Він відчував, що наявність команд у Колумбійському, Прінстонському, Чиказькому та Каліфорнійському університетах створює надто багато дублювання та недостатню співпрацю, тому він зосередив роботу в Металургійній лабораторії Чиказького університету[15].

Схема

Схема реактора
Building site, with materials lying about
У розробці

Основними конструктивними рішеннями при будівництві реактора є вибір палива, теплоносія і сповільнювача нейтронів. Вибір палива був простим; був доступний тільки природний уран. Рішення про те, що реактор використовуватиме графіт як сповільнювач нейтронів, не викликало дискусій. Хоча з важкою водою як сповільнювачем кількість утворених нейтронів на кожен поглинений (відомий як <i id="mw0Q">k-</i> фактор) була на 10 відсотків більшою, ніж у найчистішому графіті, важка вода була б недоступною в достатній кількості принаймні протягом року[16]. Це залишило вибір теплоносія, навколо якого було багато дискусій. Обмежувальним фактором було те, що паливні снаряди мали бути покриті алюмінієм, тому робоча температура реактора не могла перевищувати 200 °C (392 °F)[17]. Фізики-теоретики в групі Вігнера з Металургійної лабораторії розробили кілька конструкцій. У листопаді 1942 року інженери DuPont обрали газоподібний гелій як теплоносій для виробничої установки, головним чином тому, що він не поглинав нейтрони, а також тому, що він був інертним, що усунуло проблему корозії[18].

Будівництво

Хоча проект реактора ще не був завершений, 2 лютого 1943 року компанія DuPont почала будівництво плутонієвого напівзаводу[19] на ізольованій 45,3 га місцевості в долині Бет-Ель приблизно в 16 км на південний захід від Оук-Рідж, офіційно відомий як район Х-10. Місце включало дослідницькі лабораторії, завод хімічного розділення, зону зберігання відходів, навчальний центр для персоналу Хенфорда, а також адміністративні та допоміжні приміщення, які включали пральню, кафетерій, центр першої допомоги та пожежну станцію. Через подальше рішення у Хенфорді побудувати лише реактори з водяним охолодженням, завод хімічного розділення працював як пілотний проект[20][21]. Напівзавод згодом став відомий як Лабораторії Клінтона, і ним керував Чиказький університет як частина Металургійного проекту[22].

Building site. A chimney has been erected and scaffolding has gone up.
У розробці

Операція

Two workmen in overalls put a rod into a hole on the reactor face
Завантаження паливних стрижнів

Графітовий реактор X-10 був другим у світі штучним ядерним реактором після Чиказької дровітні-1 і першим реактором, спроектованим і побудованим для безперервної роботи[23]. Він складався з величезного блоку, 7,3 метри завдовжки з обох боків, з кубів ядерного графіту, вагою близько 1400 тонн, який виступав фактично модератором. Куби були оточені 2 метровим бетонним захистом високої радіаційної щільності[20]. Загалом реактор мав 12 метрів ширина, 14 метрів глибини і 9,8 висоти[24]. Було 36 горизонтальних рядів по 35 отворів. За кожним був металевий канал, у який можна було вставляти стрижні з урановим паливом[25]. До тих, які знаходились вище, можна було дістатися на ліфті. Всього було використано 800 (~64%) каналів[26].

Реактор використовував покриті кадмієм сталеві стрижні керування. Виготовлені з кадмію, що поглинає нейтрони, вони могли обмежити або зупинити реакцію. Три 2,4 метрові стрижні проникали в реактор вертикально, утримуючись на місці за допомогою муфти, утворюючи систему протидії. Вони були підвішені на сталевих тросах, намотаних навколо барабана, і утримувалися електромагнітною муфтою. У разі втрати електроенергії вони падали б у реактор, зупиняючи його. Інші чотири стрижні були зроблені з борної сталі і горизонтально проходили в реактор з північного боку. Дві з них, відомі як "регулюючі" стрижні, керувалися гідравлічно. Наповнені піском гідроакумулятори могли бути використані у разі відключення електроенергії. Два інших стрижня приводилися в рух електродвигунами.

Система охолодження складалася з трьох електричних вентиляторів, що працювали зі швидкістю 600 кубічних метрів на хвилину. Оскільки реактор охолоджувався зовнішнім повітрям, він міг працювати на більш високому рівні потужності в холодні дні[27]. Після проходження через реактор повітря фільтрували для видалення радіоактивних частинок діаметром більше 0,0010 мм. Це забезпечило фільтрування понад 99 відсотків радіоактивних частинок. Потім повітря випускали через 61 метровий димохід[26]. Реактором керували з контрольної кімнати в південно-східному куті на другому поверсі[26].

У вересні 1942 року Комптон звернувся до фізика Мартіна Д. Вітакера з проханням сформувати основний робочий персонал для X-10[28]. Уітакер став першим директором лабораторій Клінтона[29], як напівзавод став офіційно відомим у квітні 1943 року[30]. Перший постійний робочий персонал прибув з Металургійної лабораторії в Чикаго в квітні 1943 року, з того часу DuPont почав відводити своїх техніків з підприємства. Їх доповнили сотня техніків у формі спеціального інженерного загону. До березня 1944 року на X-10 працювало близько 1500 осіб[31].

A large four-storey building. The chimney is in the background. There are power poles and power lines in front.
Зовнішній вигляд графітового реактора на майданчику X-10 в Оук-Ріджі в 1950 році
A control panel with lots of switches and meters
Органи управління реактором

Використання в мирний час

Two workmen on a movable platform similar to that used by window washers, in front of a wall with arrays of holes and many wires running across it. A sign says "Graphite Reactor loading face".
Завантажувальна грань, 2019. Модель парової машини знаходиться в акриловій коробці внизу ліворуч.

Після закінчення війни графітовий реактор став першим у світі об'єктом для виробництва радіоактивних ізотопів для мирного використання[32]. 2 серпня 1946 року директор Національної лабораторії Оук-Ріджа Юджин Вігнер подарував невеликий контейнер з вуглецем-14 директору лікарні Barnard Free Skin and Cancer Hospital для медичного використання в лікарні в Сент-Луїсі, штат Міссурі. Подальші поставки радіоізотопів, головним чином йоду-131, фосфору-32, вуглецю-14 і молібдену-99/ технецію-99m, були призначені для наукових, медичних, промислових і сільськогосподарських потреб[33].

У серпні 1948 року реактор був використаний для виробництва першої електроенергії, отриманої від ядерної енергії. Уранові блоки в алюмінієвій трубі опромінювали всередині активної зони реактора. Вода циркулювала по трубі за допомогою автоматичної системи живлення для генерації пари. Цей пар подавався в модель парової машини Jensen Steam Engines №50, яка приводила в дію невеликий генератор, який живив одну лампочку. Двигун і генератор демонструються на завантажувальній стороні реактора, прямо під сходами, що ведуть до завантажувальної платформи[34].

Реактор X-10 був закритий 4 листопада 1963 року після двадцяти років експлуатації[35]. 21 грудня 1965 року його було визнано національною історичною пам’яткою[36] і додано до Національного реєстру історичних місць 15 жовтня 1966 року[36]. У 1969 році Американське товариство металів включило його до списку пам’яток за його внесок у розвиток матеріалознавства та технології[23], а в 2008 році Американське хімічне товариство визнало його Національним історичним хімічним пам’ятником[33]. Контрольна кімната та фасад реактора доступні для громадськості під час запланованих екскурсій, які проводяться через Американський музей науки та енергетики[37].

Примітки

  1. ↑ Rhodes, 1986, с. 251—254.
  2. ↑ Rhodes, 1986, с. 256—263.
  3. ↑ Jones, 1985, с. 8—10.
  4. ↑ The Atomic Heritage Foundation. Einstein's Letter to Franklin D. Roosevelt. Архів оригіналу за 27 жовтня 2012. Процитовано 26 травня 2007.
  5. ↑ The Atomic Heritage Foundation. Pa, this requires action!. Архів оригіналу за 29 жовтня 2012. Процитовано 26 травня 2007.
  6. ↑ Jones, 1985, с. 14—15.
  7. ↑ Hewlett та Anderson, 1962, с. 36—38.
  8. ↑ а б Hewlett та Anderson, 1962, с. 46—49.
  9. ↑ а б Anderson, 1975, с. 82.
  10. ↑ Salvetti, 2001, с. 192—193.
  11. ↑ Hewlett та Anderson, 1962, с. 50—51.
  12. ↑ Jones, 1985, с. 91.
  13. ↑ Hewlett та Anderson, 1962, с. 54—55.
  14. ↑ Hewlett та Anderson, 1962, с. 180—181.
  15. ↑ Rhodes, 1986, с. 399—400.
  16. ↑ Oak Ridge National Laboratory, 1963, с. 3—4, 18.
  17. ↑ Oak Ridge National Laboratory, 1963, с. 3—4.
  18. ↑ Jones, 1985, с. 107, 192—193.
  19. ↑ Hewlett та Anderson, 1962, с. 207.
  20. ↑ а б Jones, 1985, с. 204—206.
  21. ↑ Manhattan District, 1947, с. 2.4—2.6.
  22. ↑ Manhattan District, 1947, с. S3.
  23. ↑ а б ORNL Metals and Ceramics Division History, 1946–1996 (PDF). Oak Ridge National Laboratory. ORNL/M-6589. Архів оригіналу (PDF) за 28 січня 2015. Процитовано 25 січня 2015.
  24. ↑ Rettig, Polly M. (8 грудня 1975). [[[:Шаблон:NHLS url]] National Register of Historic Places Inventory-Nomination: X-10 Reactor, Graphite Reactor] (pdf). National Park Service. and Шаблон:NHLS url (32 KB)
  25. ↑ Manhattan District, 1947, с. S4.
  26. ↑ а б в Rettig, Polly M. (8 грудня 1975). [[[:Шаблон:NHLS url]] National Register of Historic Places Inventory-Nomination: X-10 Reactor, Graphite Reactor] (pdf). National Park Service. and Шаблон:NHLS url (32 KB)
  27. ↑ Manhattan District, 1947, с. S5.
  28. ↑ Jones, 1985, с. 209.
  29. ↑ Hewlett та Anderson, 1962, с. 207—208.
  30. ↑ Jones, 1985, с. 204.
  31. ↑ Jones, 1985, с. 208.
  32. ↑ Creager, 2013, с. 68.
  33. ↑ а б Peacetime use of radioisotopes at Oak Ridge cited as Chemical Landmark. American Chemical Society. 25 лютого 2008. Процитовано 12 грудня 2015.
  34. ↑ Garceau, Gil. World's First Nuclear Power Generated Electricity from Jensen #50 on the X 10 Graphite Reactor 1948. YouTube. Процитовано 4 квітня 2022.
  35. ↑ Oak Ridge National Laboratory, 1963, с. 1.
  36. ↑ а б X-10 Reactor, Oak Ridge National Laboratory. National Historic Landmarks Program. National Park Service. Архів оригіналу за 9 травня 2015. Процитовано 7 жовтня 2008.
  37. ↑ Public Tours. Oak Ridge National Laboratory. Архів оригіналу за 22 грудня 2015. Процитовано 12 грудня 2015.

Література

 

 

Посилання