Fermi 1 был единственным в США демонстрационным реактором-размножителем , построенным в 1950-х годах на атомной электростанции Enrico Fermi на западном берегу озера Эри к югу от Детройта, штат Мичиган . Он использовал цикл быстрого реактора с натриевым охлаждением , в котором жидкий металлический натрий используется в качестве первичного теплоносителя вместо типичных конструкций ядерных реакторов, охлаждаемых водой. Натриевое охлаждение позволяет создать более компактную активную зону, генерируя избыточные нейтроны , используемые для производства большего количества топлива деления путем преобразования окружающего «одеяла» из 238 U в 239 Pu, который может быть возвращен в реактор. На полной мощности он будет генерировать 430 МВт тепла (МВтт) или около 150 МВт электроэнергии (МВтэ).
Проектирование и строительство Fermi 1 возглавлял Уокер Ли Сислер , президент Detroit Edison . Сислер считал, что цикл бридера будет доминировать на будущем коммерческом рынке, поскольку он обеспечит фактически неограниченный запас топлива, и он отстаивал усилия по производству Fermi 1 на основе конструкции небольшого экспериментального EBR-I в Айдахо. Его усилия поддержал Льюис Штраус , председатель Комиссии по атомной энергии США (AEC), который был ярым сторонником частных компаний, входящих в ядерную сферу.
29 ноября 1955 года EBR-I частично расплавился по причинам, которые не были полностью поняты. Лицензирование строительства Fermi 1 началось в январе 1956 года. Группа экспертов AEC рекомендовала не продолжать проектирование до тех пор, пока проблемы с EBR и проектированием бридера в целом не будут лучше изучены путем тестирования на более новых экспериментальных системах, таких как EBR-II . Когда их отчет был процитирован на слушаниях в Конгрессе, Штраус отказался обсуждать его и одобрил строительство. Это привело к бурным дебатам в Конгрессе и прессе, а также к серии судебных исков со стороны United Auto Workers , которые на короткое время привели к отзыву лицензии на строительство.
Строительство было отложено на несколько лет, а бюджет удвоился. Эксплуатация была запланирована на 1959 или начало 1960 года, но Fermi 1 достиг критичности 23 августа 1963 года. Медленно увеличивая свою мощность в течение следующих двух лет, 5 октября 1966 года он перенес частичное расплавление , когда поток натрия был нарушен из-за закупорки впускных отверстий в нижней части реактора. Проблема была обнаружена достаточно рано, чтобы безопасно остановить реактор, и не было никакого радиоактивного выброса за пределы здания защитной оболочки . Площадка была закрыта на ремонт и перезапущена в июле 1970 года. Она работала только до повторного закрытия 27 ноября 1972 года и была официально выведена из эксплуатации 31 декабря 1975 года.
Большинство коммерческих реакторов работают на расщепляющемся топливе 235U . В природе 235U смешивается с гораздо большим количеством нерасщепляющегося 238U . 238U так много , что атомы 235U настолько разрежены, что цепная реакция невозможна. В большинстве случаев это преодолевается двумя методами. Один метод заключается в «обогащении» топлива, концентрировании 235U , чтобы нейтроны имели большую вероятность поразить его. Обогащение оставляет побочный продукт нерасщепляющегося 238U , называемый обедненным ураном . Другой метод заключается в замедлении нейтронов или « умерении » их, что увеличивает вероятность того, что они подвергнутся реакции.
Наиболее распространенные конструкции реакторов используют оба этих метода, слегка обогащая топливо до 3–5% 235 U и используя воду в качестве замедлителя. В этих конструкциях 238 U по-прежнему составляет большую часть топлива. Некоторые нейтроны от событий деления попадают в эти атомы и захватываются, превращая их в 239 Pu. Они также могут подвергаться делению, как 235 U. Около 35% деления в типичном реакторе приходится на 239 Pu, созданный таким образом. [1]
Можно увеличить скорость захвата и получить дополнительное топливо. Однако этот процесс гораздо эффективнее, когда нейтроны имеют более высокую энергию, что противоречит замедлению, необходимому для 235 U. Это приводит к классу конструкций, оптимизированных для производства 239 Pu. Эти бридеры обычно строятся из двух частей: «ядра» топлива, которое обогащается до такой степени, что может поддерживать цепную реакцию без замедлителя, и «одеяла» из 238 U, окружающего его, которое предназначено для захвата любых свободных нейтронов и создания 239 Pu. [1]
235 U и 238 U химически идентичны и их трудно разделить с помощью механических процессов, основанных на их немного разной массе. Напротив, уран и плутоний имеют разную химию и могут быть разделены с помощью химических процессов. Это приводит к относительно чистому плутонию, который может быть использован в качестве топлива в активной зоне бридера без дальнейшего обогащения. После запуска системы можно произвести достаточно плутония, чтобы полностью заменить исходное урановое топливо, и все еще иметь больше остатка. Этот дополнительный плутоний затем может быть использован в активной зоне других бридеров или смешан с ураном и сожжен в обычных (не бридерных) реакторах. [1]
Реактор, который может работать без замедлителя, все равно нуждается в охлаждении. Поскольку вода даст нежелательное замедление, необходима какая-то другая форма охладителя. Металлический натрий является отличным охладителем с очень низкой вероятностью реакции с нейтронами, тем самым улучшая нейтронную экономичность . Он также обладает превосходной теплопередачей. Эффективность теплопередачи является функцией разницы между максимальной и минимальной рабочими температурами. В натрии это точка плавления 371 Кельвин (К) и точка кипения 1156 К. Напротив, эквивалентные пределы воды при атмосферном давлении составляют 273 К и 373 К, что приводит к гораздо меньшей удельной теплоемкости. Чтобы улучшить это, многие водоохлаждаемые реакторы работают под высоким давлением, чтобы увеличить точку кипения. Конструкции натрия могут работать при атмосферном давлении при гораздо более высокой температуре, что обеспечивает преимущество в безопасности. Компенсацией этого является тот факт, что натрий очень реактивен. Горячий натрий вспыхнет при контакте с водой или кислородом. [1]
Концепция бридера доминировала в раннем ядерном мышлении, поскольку она предлагала способ производства практически неограниченного количества топлива из того, что в противном случае было бы отходами. В 1950-х годах считалось, что запасы природного урана ограничены и могут иссякнуть, если энергия деления станет популярной. Созданный плутоний можно было использовать в качестве топлива для активной зоны бридера, и оставалось бы достаточно для работы других реакторов. Размножитель потенциально генерирует не только электроэнергию, но и доход за счет продажи топлива. Первым реактором, производящим энергию, был бридер, экспериментальный реактор-размножитель I (EBR-I) в том, что стало Национальной лабораторией Айдахо . 20 декабря 1951 года он произвел достаточно электроэнергии для питания ряда лампочек. [2]
Уокер Ли Сислер был назначен президентом Detroit Edison в декабре 1951 года. Он только что представил доклад Комиссии по атомной энергии США (AEC), в котором говорилось, что ядерная энергия будет практичной для коммерческих энергетических компаний и может привести к совершенно новому способу удовлетворения будущих потребностей в энергии. Доклад Сислера был сосредоточен на быстром бридере, в нем говорилось, что «Реактор-размножитель будет непрерывно производить количество расщепляемого материала сверх потребляемого. Таким образом, реакторы-размножители будут увеличивать, а не потреблять мировые запасы расщепляемых материалов». [3]
Cisler предложил цикл проектирования для коммерческого бридера в партнерстве между Detroit Edison и Dow Chemical . AEC одобрила концепцию 19 декабря 1951 года. Это было всего за один день до начала первоначальной эксплуатации EBR-1. В течение следующего года Cisler сформировал Отдел развития ядерной энергетики в Detroit Edison и привлек пятнадцать других коммунальных компаний и поставщиков, включая Consolidated Edison и Philadelphia Electric . [4] Объединенная группа сформировала Atomic Power Development Associates (APDA). [5]
КАЭ дала организации добро на детальное проектирование 19 октября 1952 года. Разработка шла медленно, пока президент Эйзенхауэр не подписал Закон об атомной энергии в августе 1954 года, который позволил частным компаниям владеть атомными станциями. [6] Дальнейшая поддержка проекта пришла, когда Льюис Штраус был назначен председателем КАЭ. Штраус был очень заинтересован в коммерческой разработке и решительно поддерживал как программы реакторов-размножителей, так и легководных реакторов . [7]
На обзорном совещании с AEC 10 ноября 1954 года лауреат Нобелевской премии Ганс Бете и конструктор EBR Вальтер Цинн разошлись во мнениях относительно результата расплавления в размножителе. Цинн предположил, что это может вызвать взрыв, в то время как Бете считал, что это крайне маловероятно. Все согласились, что такой взрыв, если он произойдет, будет достаточно небольшим, чтобы его можно было удержать в подходящем здании. [8]
Вскоре после встречи Альфред Аморози был назначен техническим директором проекта. Он начал углубленное изучение операций и озаботился одной конкретной проблемой. Одним из преимуществ натриевого теплоносителя было то, что он расширялся, когда становился горячее, замедляя скорость реакции и охлаждая реактор. Этот отрицательный температурный коэффициент весьма желателен, поскольку он обеспечивает пассивную безопасность. Однако EBR продемонстрировал положительный температурный коэффициент при определенных условиях. Еще более обескураживающим было то, что расчеты второго похожего эффекта, коэффициента Доплера , оказались положительными. В этом случае дополнительное тепло могло привести к состоянию разгона. [8]
Работа Аморози была изучена на заседании группы бридеров в Консультативном комитете по безопасности реакторов 30 июня 1955 года, экспертной группе, сформированной КАЭ, которая сегодня является частью Комиссии по ядерному регулированию . [9] Они были обеспокоены тем, что коэффициент Доплера может подавить тепловой эффект и любые автоматические системы, которые пытались его контролировать. Команда неоднозначно отнеслась к концепции в более широком смысле, подняв несколько потенциально серьезных вопросов и задаваясь вопросом, почему они рассматривают возможность перехода к полномасштабной установке, не дожидаясь результатов испытаний на меньших прототипах. Они пришли к выводу, что «следует признать, что предположения, на которых основаны эти расчеты, не были установлены экспериментально, и должны быть установлены, прежде чем эксплуатация такого реактора может быть рекомендована для площадки, близкой к населенному пункту». [10]
Для дальнейшей характеристики этих эффектов летом 1955 года EBR начал проводить эксперименты по измерению коэффициента Доплера. Поскольку эффект более выражен при более высоких температурах, был организован тест, при котором реактор работал бы при температуре 900 °F (482 °C), что немного ниже точки плавления топлива. [11] Реактивность контролировалась серией моторизованных стержней управления , которые медленно извлекались, чтобы позволить мощности плавно расти. В случае возникновения проблемы в реактор можно было быстро сбросить второй набор аварийных стержней. [12]
Испытание было проведено 29 ноября 1955 года. По мере увеличения мощности, при 500 Вт показания температуры стали сбивать с толку. Обеспокоенный тем, что она начинает резко расти, ученый, отвечающий за испытание, приказал оператору сбросить аварийные стержни, но оператор нажал кнопку более медленных, управляемых двигателем. Ученый понял, что произошло, и нажал нужную кнопку, но за эти несколько секунд мощность продолжала быстро расти. Затем сработала вторая система безопасности, которая сбросила все одеяло в яму под реактором, что привело к остановке реакций. [13]
Около половины активной зоны расплавилось за считанные секунды, оставив реактор настолько радиоактивным, что к нему нельзя было приблизиться. Команды наконец смогли открыть активную зону несколько недель спустя, и не сразу стало ясно, что вызвало проблемы. Если это было вызвано эффектом Доплера, это означало, что более крупная установка была бы полностью неуправляемой. В конце концов было определено, что причиной проблем было то, что топливные стержни изгибались или провисали по мере нагревания, позволяя им сближаться и увеличивать скорость реакции. Вопрос о коэффициенте Доплера остался непроверенным. [14]
Расплавление EBR выдвинуло на первый план еще одну давнюю проблему с конструкцией бридера. Поскольку активная зона была сильно обогащена, даже незначительные перемещения топлива могли вызвать значительные изменения реактивности, как это произошло на EBR. Если бы бланкет упал на топливо в активной зоне, он мог бы «уплотнить» его, вызвав сверхкритичность, что привело бы к взрыву. То же самое могло бы произойти, если бы топливо расплавилось и собралось на закругленном дне реактора, а затем остальная часть активной зоны была бы прижата к нему. Аморози разработал простое решение этой более поздней проблемы: металлический конус, мало чем отличающийся от перевернутого рожка мороженого , был помещен в центр натриевого бака на дне реактора. Во время нормальной работы это помогло бы направить поток натрия в активную зону. Если бы топливо расплавилось, конус заставил бы его вытекать наружу в форме кольца, которое не могло бы достичь критической массы. [15]
В январе 1956 года Цислер подал заявку на получение разрешения на строительство Fermi 1. Для строительства завода была создана новая компания — Power Reactor Development Company, или PRDC. [14]
В ходе серии встреч с Комитетом по гарантиям AEC в марте PRDC представил свою работу на сегодняшний день, но большая ее часть оставалась предварительной. Что касается темы коэффициента Доплера, Аргоннская национальная лаборатория , которая управляла EBR-I, представила данные об аварии, включая проблему с провисанием топливных стержней. [14] Уэйн Дженс из PRDC представил три основных сценария аварий, которые он изучал, включая возможность того, что натриевый теплоноситель может выкипеть, что может привести к взрыву с силой 5 тонн тротила (21 ГДж) в эквиваленте тротила . Два других были сценариями расплавления, но цифры для них были слишком предварительными. Генри Гомберг из Мичиганского университета представил свою работу о потенциальных событиях утечки радиации, но снова результаты были предварительными. Хотя работа продолжалась, Сайслер выразил уверенность, что все они будут завершены к тому времени, когда они подадут заявку на получение лицензии на эксплуатацию через несколько лет в будущем. [16]
Затем была организована еще одна встреча и окончательный обзор данных под руководством Роджерса Маккалоу из Monsanto 2 июня 1956 года в чикагском офисе в Аргонне. В его обзорном письме, подводящем итоги встречи, говорилось, что «Хотя у Комитета нет фактов или расчетов, которые бы четко указывали на то, что предлагаемый реактор небезопасен для этого места, Комитет считает, что на данный момент недостаточно информации, чтобы гарантировать, что реактор PRDC может эксплуатироваться на этом месте без опасности для населения». [17]
Особую озабоченность вызывало понимание того, что именно произошло в EBR, и «должно быть четко продемонстрировано, что коэффициент такой величины не может существовать в конструкции PRDC». [18] Эту проблему можно было решить только путем дальнейшего экспериментирования, и группа считала, что запланированные в настоящее время испытания просто не предоставят достаточно информации к предполагаемому открытию в 1959 или 1960 году. [16] Они предложили построить меньший реактор специально для проверки эффектов температурных колебаний, [18] и еще один, чтобы проверить, могут ли предлагаемые концепции строительства защитной оболочки действительно остановить взрыв такой величины, которую представил Йенс. [19]
Хотя дополнительная информация будет поступать из существующих запланированных экспериментов, она не успеет повлиять на проект до завершения строительства, а существующий опыт работы с меньшими реакторами «не совсем обнадеживает». [19] Они рекомендовали, чтобы программа EBR-II продвигалась вперед как можно быстрее и была построена как настоящий прототип проекта Fermi, а не как более крупный EBR, который был бы чисто экспериментальным. Хотя он похвалил PRDC за столь быструю разработку проекта, он пришел к выводу, что «Комитет не считает, что шаги, которые необходимо предпринять, должны быть настолько смелыми, чтобы рисковать здоровьем и безопасностью населения». [20]
Обзор МакМаллоу поступил в AEC в разгар дебатов в Конгрессе в Объединенном комитете по атомной энергии по законопроекту Гора-Холифилда, который был направлен на большую поддержку коммерческой ядерной энергетики. Штраус считал, что усилия, подобные усилиям PRDC, представляют собой наилучший путь вперед, в то время как демократы в Объединенном комитете во главе с Томасом Э. Мюрреем , который также был комиссаром AEC, [21] выступали за дополнительное федеральное финансирование для еще одного раунда экспериментальных машин. [22]
Во время дебатов по законопроекту Джон Дингелл выразил обеспокоенность тем, что AEC отвечает как за продвижение ядерной энергетики, так и за контроль ее безопасности. Он указал на проекты PRDC в качестве примера и призвал приостановить финансирование «до тех пор, пока все проблемы безопасности не будут решены для защиты населения». Он также отправил пресс-релизы в Detroit News , Toledo Blade и Wall Street Journal, в которых изложил обеспокоенность по поводу проекта. [23]
В конце июня 1956 года Комитет по ассигнованиям Палаты представителей начал рассматривать запрос AEC на дополнительное финансирование экспериментальных машин. Председатель Кларенс Кэннон использовал встречи, чтобы выразить свое несогласие с спешкой частных промышленных реакторов и руководством Штрауса в целом. Во время его допроса и Штраус, и Мюррей раскрыли подробности спора по поводу конструкции PRDC. Когда Кэннон пожаловался, что частные компании, по-видимому, не добиваются прогресса, Штраус ответил, что он собирается присутствовать на церемонии закладки фундамента для Fermi 8 августа. Это был первый раз, когда было упомянуто строительство, дата была выбрана вместе с названием завода до того, как состоялся обзор МакМуллоу. [22]
На следующий день Кэннон допрашивал Мюррея о конструкции, и Мюррей заявил, что, по его мнению, бридер является важной частью программы AEC, но что для дополнительных экспериментов следует выделить больше средств. Чтобы подчеркнуть свой аргумент, он прочитал несколько частей обзора МакМуллоу, в которых предлагалось ускорить существующие программы и построить дополнительные испытательные системы. Кэннон использовал это, чтобы утверждать, что все первоначально запрошенные 55 миллионов долларов должны быть переданы AEC вместо выделенных комитетом 15 долларов. Затем Мюррей продолжил на следующий день, встретившись с Клинтоном Андерсоном , отметив, что Штраус, по-видимому, проигнорировал опасения МакМуллоу и, очевидно, уже решил выдать лицензию на строительство. [22]
После встречи с Мюрреем Андерсон попросил Джеймса Т. Рэми позвонить в AEC и запросить копию отчета МакМаллоу. Гарольд Вэнс , Кеннет Филдс, Мелвин Прайс и главный юрисконсульт AEC обсудили запрос. Вэнс был особенно обеспокоен тем, как этот единственный отчет, среди многих в AEC по этой теме, был представлен и, таким образом, показался Объединенному комитету единственным таким отчетом. [24] Он продолжил предлагать им прояснить роль Комитета по гарантиям и более крупной группы комитетов в AEC. Вместо этого Прайс высказал свое мнение, что «именно поэтому документы, подобные этому, должны быть привилегированными». [25] Они решили проигнорировать запрос. [25]
Андерсон направил официальное письмо 9 июля, и после дальнейших внутренних дебатов Штраус решил объявить его «административно конфиденциальным» и ответил 13 июля, что они опубликуют его только при условии, что с ним будут обращаться как с конфиденциальной информацией . Объединенный комитет отказался, заявив, что они «не могут получить отчет при таких условиях». [26] 16 июля Андерсон направил еще одно требование в AEC, которое они снова отклонили, а Штраус просто заявил, что «публичного ответа не будет». [26]
Пока все это происходило, Отдел гражданского применения Прайса (DCA) проводил собственный обзор проекта. Их обзорное письмо касалось каждого пункта, поднятого Комитетом по гарантиям. Например, в ответ на обеспокоенность тем, что не было достаточно информации, чтобы разрешить эксплуатацию на предлагаемом участке, DCA согласилось, но затем заявило, что, по их мнению, такая информация будет предоставлена до рассмотрения лицензии на эксплуатацию. При рассмотрении вопроса о расплавлениях, которые могут нарушить конфайнмент, они снова согласились с Комитетом по гарантиям, что не было достаточно информации, чтобы сделать вывод, но затем просто заявили, что, по их мнению, предлагаемое здание выдержит «максимальную вероятную аварию в этом реакторе». [27]
AEC собралась 1 августа для рассмотрения заявки. Прайс представил дело DCA, заявив, что они согласны с Комитетом по гарантиям относительно того, в чем заключаются опасения, но что существуют «различия во мнениях относительно этого проекта, которые связаны со степенью оптимизма или пессимизма среди разных людей относительно вероятности того, что эти проблемы могут быть удовлетворительно решены». [21] Затем он предложил выдать разрешение на строительство на основе решения этих вопросов до выдачи лицензии на эксплуатацию. [21]
Затем Штраус призвал к обсуждению. Мюррей повернулся к МакМаллоу, который также присутствовал, и спросил его, произошло ли что-нибудь с 6 июня, чтобы изменить его мнение. МакМаллоу ответил, что ничего не изменилось. Затем Мюррей заявил, что он против выдачи лицензии на строительство. Вэнс заявил, что им следует продолжить выдачу лицензии на строительство, но обязательно всегда использовать термин «условный» при обсуждении этого с прессой, поскольку он обеспокоен проблемами безопасности, которые уже были известны общественности. Он заявил, что «может пройти некоторое время, прежде чем можно будет получить разумные гарантии. Если бы мы отложили разрешение на строительство до тех пор, это могло бы задержать очень важную программу. Если бы мы не считали, что шансы на то, что все эти проблемы будут решены, очень высоки, мы бы не выдавали разрешение. Мы действительно думаем, что они хорошие». [28]
В конце концов, три комиссара проголосовали за выдачу разрешения, Мюррей проголосовал против. Разрешение было выдано 4 августа 1956 года. [28]
Официальное заложение фундамента состоялось 8 августа, как и заявил Штраус. [29] Это почти сразу привело к иску со стороны United Auto Workers (UAW) во главе с Уолтером Ройтером . Отчет Маккалоу был обнародован в августе, после того, как было выдано разрешение на строительство. Ройтер отметил опасения по поводу повторной сборки после расплавления, заявив: «На обычном языке это означает, что реактор может превратиться в небольшую атомную бомбу». [30]
Сайслер ответил, что завод получил только лицензию на строительство, и что если проблемы безопасности останутся, то эксплуатационная лицензия не будет выдана. Затем он продолжил утверждать, что весь спор был политически мотивированным, заявив Detroit Free Press , что «Мы движемся по дороге к социалистическому государству» и что люди, выступающие против проекта, «готовы использовать любые уловки, чтобы сохранить развитие атомной энергетики в руках правительства». Он предположил, что все дело было просто битвой между теми, кто заинтересован в сохранении проектов в государственном секторе, и частным сектором, и что аргументы о безопасности «бьют ниже пояса». [30]
Это привело к письму сенатора от Мичигана Патрика В. Макнамары Сайслеру, в котором говорилось: «Я отвергаю миф, который вы придумали, что это исключительно борьба между общественными и частными властными интересами». [31] Он вынес этот вопрос на обсуждение в Сенате, заявив, что безопасность имеет первостепенное значение, поскольку объект находится недалеко от Монро, штат Мичиган , города с населением 20 000 человек, и всего в 30 милях (48 км) от Детройта. [32] Он отметил: «Были ли эти вопросы подняты исключительно неспециалистами, которые мало или совсем ничего не знали о сложностях и технических особенностях атомных реакторов? Нет. Они были подняты собственным Консультативным комитетом по гарантиям реакторов КАЭ. И на его вопросы до сих пор не было дано ответа». [31]
Строительство продолжалось, несмотря на все текущие проблемы. Оно началось с инъекции бетона в подстилающую породу летом и раскопок в октябре. Первый бетон для фундамента, считающийся ключевой датой в любом строительстве реактора, был залит в декабре 1956 года. Верхняя часть купола конфайнмента была добавлена 21 сентября 1957 года. [33] Сам корпус реактора прибыл в мае 1958 года, после месячного путешествия на барже и железной дороге. [34] К началу 1958 года смета расходов возросла до 70 миллионов долларов (что эквивалентно 759 000 000 долларов в 2023 году), что вдвое больше первоначальной оценки. Заключительная часть сборки реактора прибыла в мае 1959 года, оставалось только завершить паровую установку. [35] AEC одобрила окончательное строительство 26 мая. [36]
В августе 1959 года начались первые испытания с натриевыми охлаждающими контурами. [36] Они проводились в гравийном карьере на некотором расстоянии. 24 августа натрий взорвался, ранив десятки людей и нанеся ущерб близлежащим домам. [37] Вскоре после этого испытания топливных стержней показали, что они будут работать только 1 ⁄ 3 первоначально предсказанного времени, прежде чем их придется извлечь. Дальнейшие испытания натриевых охлаждающих контуров показали, что текущий металл сорвет ребра со стержней, которые держали их отдельно друг от друга в реакторе. В 1960 году возникла более серьезная проблема со стержнями, которая показала, что они могут разбухать внутри реактора и препятствовать потоку натриевого охладителя. Для решения этой проблемы потребовалась задержка строительства на несколько месяцев. [38]
К этому времени сохраняющаяся угроза судебного иска от UAW проложила себе путь через суды и была рассмотрена 23 марта 1960 года. Вердикт был вынесен 10 июня — лицензия на строительство была незаконной, и все работы на заводе должны были быть прекращены в течение 15 дней. Сайслер подал ходатайство о повторном слушании, но оно было отклонено 25 июля. И Detroit Edison, и Министерство юстиции США подали апелляцию в Верховный суд США . Строительство тем временем продолжалось. [39]
12 июня Верховный суд вынес решение в пользу Fermi 1. Большинство судей заявило, что двухэтапный процесс выдачи разрешений на строительство и затем лицензий на эксплуатацию был «достаточно обоснованным, чтобы удовлетворить доводы закона». Меньшинство судей отметило, что разрешение строительства означало, что компании, участвующие в строительстве, инвестировали миллионы в строительство и к тому времени, когда оно будет завершено, и что «законодательная история ясно показывает, что время, когда вопрос безопасности должен быть решен, — это до того, как Комиссия выдаст разрешение на строительство». [40]
Первые из 105 топливных стержней прибыли 9 июня 1961 года, и AEC выдала расширенную лицензию на строительство, чтобы справиться с продолжающимися задержками. Дальнейшие проблемы препятствовали прогрессу; заглушку, которая герметизировала верхнюю часть реактора, пришлось заменить, и было обнаружено, что натрий реагирует с графитовой защитой внутри реактора. Это вызвало еще одну 15-месячную задержку и добавило 2,5 миллиона долларов к расходам на строительство. AEC выдала еще одно продление лицензии на строительство, чтобы покрыть это. [41]
В течение этого периода Уолтер Маккарти возглавлял заявку на получение эксплуатационной лицензии. [42] После завершения строительства осенью 1962 года Консультативный комитет по безопасности реакторов снова собрался в октябре 1962 года, чтобы рассмотреть эксплуатационные аспекты. Они дали разрешение на загрузку топлива и эксплуатацию реактора на 1/400 его паспортной мощности . Эксплуатация и проверка потребуются, прежде чем его можно будет вывести на следующий уровень в 200 000 кВт выходной мощности, [ 41 ] и, наконец, на его проектную мощность в 400 000 кВт тепловой энергии. [43]
11 декабря 1962 года Рейтер подал ходатайство об отсрочке эксплуатационных слушаний, пока UAW готовит свое дело. На следующий день перегрев охлаждающей воды вызвал череду событий, в результате которых из реактора выпал горячий натрий, который тут же вспыхнул. Рейтер ухватился за это событие, поскольку если бы топливо было загружено, это привело бы к серьезной радиационной аварии, о чем написала пресса, особенно в Вашингтоне. [44] Дело UAW в конечном итоге ни к чему не привело, и временная эксплуатационная лицензия была одобрена. [45]
.jpg/1280px-HD.6D.324_(11877088704).jpg)
Окончательная загрузка топлива началась 12 июля 1963 года [45] , а начальная цепная реакция была успешно достигнута в 12:35 23 августа 1963 года. Реактор работал на низких уровнях мощности в течение следующего года, поскольку было обнаружено и устранено множество незначительных проблем. [46] К концу 1965 года были составлены планы по увеличению мощности до 1000 кВт, затем до 20 000, а затем до 80 000, после чего часть электроэнергии должна была поставляться в сеть. К этому времени проект, который достиг 100 миллионов долларов (что эквивалентно 1 085 000 000 долларов в 2023 году), [12] и 120 миллионов долларов к октябрю. [47] Наращивание мощности продолжалось успешно, и день коммерческого экспорта был назначен на 6 августа 1966 года, при этом реактор должен был вырабатывать 33 МВт электроэнергии в течение 60 часов работы. [48] Во время длительного запуска несколько топливных сборок показали аномально высокие температуры. Не было никакой ясной причины этого, но она была устранена путем перекомпоновки некоторых топливных сборок в активной зоне. [48]
Еще один запуск на том же уровне мощности был одобрен для начала в 8 утра 5 октября, но очень незначительные проблемы задержали его до 2:20 дня. В 3 часа дня мощность достигла 20 000 кВт тепла, и было отмечено неустойчивое поведение, которое было устранено коротким периодом ручного управления перед возвратом в автоматический режим. [48] В 3:05 оператор Майк Вебер заметил, что стержни управления, по-видимому, находятся слишком далеко от активной зоны, учитывая количество выделяемого тепла; обычно они должны были быть примерно на 6 дюймов (150 мм) снаружи, но автоматическая система отвела их на 9 дюймов (230 мм). Кроме того, измерители реактивности показывали неустойчивые значения. Это предполагало, что в активной зоне есть горячие точки, но отображение температур отдельных элементов было на расстоянии от основных элементов управления. Когда он просмотрел дисплей, сразу стало ясно, что две сборки были намного горячее остальных. [49] В 3:09 сработала радиационная сигнализация и была объявлена чрезвычайная ситуация класса I (незначительная), опечатав здание реактора. В 3:20 было принято решение об аварийной остановке реактора. [50]
Вскоре после этого прибыл Маккарти и начал планировать, как выяснить, что произошло. [51] Вебер был обеспокоен тем, что произошло локальное плавление, которое могло вызвать проблемы даже в состоянии отключения. Если расплавленное топливо собиралось, оно могло продолжать нагревать топливо вокруг себя до плавления даже при вставленных стержнях управления. Хотя мониторы показывали проблемы только в сборках M-140 и M-098, только каждая четвертая сборка имела измеритель, поэтому было возможно, что плавление было более распространенным. [52] К концу дня радиоактивность падала, и эта возможность казалась маловероятной. [53]
Спустя месяц после аварии, наконец, была получена некоторая информация, полученная в результате тестирования расхода натрия через реактор, что позволило предположить, что расплавиться могло не более шести сборок. Дальнейшие испытания включали медленное извлечение одного стержня управления за раз, чтобы увидеть, что произошло, и это показало, что расплавление определенно произошло. [54] Затем возникла проблема, как точно определить поврежденные сборки и как извлечь их из активной зоны. Поскольку не было четкой картины того, как топливо было расположено после расплавления, перемещение любой из сборок могло вызвать мгновенную критичность. [55]
В течение следующих нескольких месяцев топливные сборки извлекались одна за другой и отправлялись в горячую камеру в Колумбусе, штат Огайо, для исследования. Это показало, что четыре сборки расплавились, а две слиплись. Большая часть топлива была удалена к маю 1967 года. В этот момент натрий начал сливаться, и к августу было удалено достаточно, чтобы обнажить дно корпуса реактора. Внутреннюю часть осмотрели с помощью перископа и обнаружили на дне нечто похожее на раздавленную пивную банку . [56] Для получения более качественных изображений были использованы новые системы, которые показали, что это был сложенный кусок листового металла. [57]
Проблема заключалась в том, как извлечь объект для изучения. В конечном итоге это потребовало вскрытия одного из входов натрия и создания нового устройства, которое извлекало металл. Вскоре он был идентифицирован как часть циркониевой защиты. Чтобы предотвратить прогорание расплавленного топлива через дно реактора, листы циркония, которые могли выдерживать температуры расплавления, были разложены по дну натриевого бака. Когда была добавлена коническая направляющая, позже было замечено, что она представляла собой незащищенную область в центре этих пластин. Аморози добавил шесть треугольных циркониевых пластин к конусу, чтобы предотвратить этот путь эвакуации. Щиты были добавлены в 1959 году, на поздней стадии проектирования, и не были добавлены в чертежи. Две из этих пластин сломались и заткнули отверстия, которые позволяли натрию течь вокруг топлива, в результате чего сборки в этих областях перегревались и плавились. [57]
Проверка показала, что конус в конечном итоге не служил никакой цели, и вся система была демонтирована к концу 1968 года. Завод получил разрешение на повторную загрузку топлива в феврале 1970 года. В мае, во время проверки AEC для запуска, 200 фунтов (91 кг) натрия вырвались из трубы, в результате чего другая труба оторвалась и распылила натрий с водой, что привело к взрыву. Для тушения пламени использовался аргоновый газ, но здание пришлось закрыть на два дня. [58]
Система была наконец готова к перезапуску в июле 1970 года. К октябрю она достигла первоначального уровня тепловой мощности в 200 000 кВт. [58] К этому времени стоимость станции составила 132 миллиона долларов. В январе 1971 года годичная лицензия на эксплуатацию подлежала продлению, и возникли опасения, что она может быть отменена. Чтобы помочь, AEC согласилась прекратить взимать плату за топливо, которое готовили подрядчики AEC. Они продлили лицензию на эксплуатацию до июня 1971 года, а затем до 1972 года. [59]
Комиссия по атомной энергии по-прежнему была заинтересована в дальнейшем развитии концепции реактора-размножителя, но Fermi 1 теперь рассматривался как белый слон . [60] К этому времени было принято решение построить экспериментальный реактор-размножитель в Оук-Ридже , который называли «первым демонстрационным реактором-размножителем в Соединенных Штатах», полностью игнорируя Fermi. [61] В конечном итоге этот реактор на ядерном полигоне Клинч-Ривер был заброшен на месте. [62] [63]
К 1972 году исходное топливо достигло предела выгорания и его пришлось заменить свежим топливом. 27 августа 1972 года AEC выдала «Отказ в подаче заявки на продление лицензии и приказ о приостановке операций». [61] В ноябре PRDC приняла это решение и начала закрывать завод. [64]
Остановка реактора включала удаление всего топлива и натриевого теплоносителя. Радиоактивный натрий был собран в 55-галлонные бочки с намерением использовать его в реакторе Клинч-Ривер. Fike Chemical согласилась забрать нерадиоактивный натрий на своем заводе в Нитро, Западная Вирджиния . Они просто сбросили его в старые бункеры времен Первой мировой войны , которые были частично открыты для непогоды. [65] Дождь просочился в один из бункеров, воспламенив натрий и заставив город укрыться на месте , пока он был потушен. Еще больше натрия было обнаружено в похожих условиях, когда EPA узнало, что Fike покинул это место, и оно стало печально известным местом суперфонда . [66] [67]
Утилизация оставшихся низкоактивных отходов была выставлена на контракт, но ни одно из четырех мест захоронения опасных отходов в США не приняло бы это, и AEC начала рассматривать возможность открытия нового собственного места. Отмена проекта Clinch River вскоре после этого создала еще одну проблему, поскольку некуда было отправлять радиоактивный натрий, и он оставался на месте, пока его окончательно не вывезли в 1984 году. Сам корпус реактора был вывезен и разрезан в 2012 году. [68]
По состоянию на 2021 год объект находится в статусе SAFSTOR[обновлять] . [64] Реактор, топливо и охладитель были удалены. AEC выделила 4 миллиона долларов на очистку. [61] Окончательные затраты на остановку достигли 130 миллионов долларов к 1974 году. [69]
Вскоре после закрытия завода Джон Фуллер выпустил книгу « Мы почти потеряли Детройт» , название которой отсылает к комментарию анонимного оператора на заводе. [70] Фуллер, романист, драматург и репортер, изначально намеревался написать вымышленный рассказ о расплавлении, но затем наткнулся на документы AEC по Fermi 1 и решил, что реальность интереснее вымысла. [70]
По любым меркам авария была незначительной. [ требуется цитата ] Расплавление было ограниченным, и различные наихудшие сценарии даже близко не были близки к осуществлению. [ требуется цитата ] Книга Фуллера рисует совершенно иную картину: что конструкция была изначально небезопасной, и тот факт, что она не взорвалась и не «потеряла Детройт», был в значительной степени вопросом удачи. Этот вывод был предметом бурных споров в то время и темой книги Detroit Edison, операторов завода, в которой говорилось, что такая катастрофа не была в процессе [68] под названием «Мы не чуть не потеряли Детройт». [71]
Другие авторы критиковали работу Фуллера на основе его списка предыдущих аварий, чтобы создать картину промышленности, балансирующей на грани катастрофы. Расплавление NRU упоминается заметно, но только косвенно связано с Fermi, а пожар в Windscale также подробно рассматривается, но это не та же конфигурация реактора. [70] Между тем, эксперимент с натриевым реактором , который частично расплавился в 1959 году почти по тем же причинам, что и Fermi, вообще не упоминается. [72]
Fermi 1 остается эталоном для антиядерных активистов, которые отметили 50-ю годовщину этого события в 2016 году, охарактеризовав его как «узкое неприятие катастрофической катастрофы». [68]
Fermi 1 был реактором петлевого типа, в котором ядро удерживается внутри сосуда в форме пробирки , который содержит натриевый охладитель. Ядро подвешено в середине реактора, и охладитель прокачивается через него под низким давлением. Затем охладитель отправляется в теплообменник, который перемещает энергию во второй контур, содержащий воду. Затем эта горячая вода отправляется в другой теплообменник, парогенератор , и полученный пар приводит в действие обычную паровую турбину . Эта серия охлаждающих контуров предназначена для изоляции натриевого охладителя и любой содержащейся в нем радиоактивности как можно ближе к реактору, что упрощает обслуживание остальной части установки. [73]
В общих чертах конструкции петлевой реактор похож на реактор на легкой воде с дополнительным контуром для натрия. В конструкциях на легкой воде теплоноситель, проходящий через активную зону, обычно напрямую приводит в действие парогенераторы. Это контрастирует с конструкцией бассейнового типа, которая также используется для реакторов с натриевым охлаждением. Конструкция бассейна состоит из двух чашеобразных камер, одна внутри другой. Натрий перекачивается между двумя пространствами для отвода тепла от активной зоны, а контуры водяного охлаждения отводят тепло из пространства между двумя чашами. У этих двух конструкций есть свои преимущества и недостатки, причем петлевые конструкции обычно несколько меньше и, следовательно, менее дороги, в то время как конструкции бассейна лучше изолируют натрий от окружающей среды, а их большая масса натрия является эффективной защитой от тепловых переходных процессов. [73]
Конструкция Fermi имела три первичных контура охлаждения, каждый из которых входил в реактор над активной зоной с разделением в 120 градусов. Затем натрий стекал вниз вокруг активной зоны в область бака в нижней части реактора. Сверху области бака находилась пластина со множеством просверленных в ней отверстий. Натрий тек вверх из бака через отверстия в пластине, которые распределяли поток по объему активной зоны и окружающего радиального бланкета. Выходы располагались чуть выше области активной зоны. В верхней части реактора находилась большая заглушка, которую можно было вращать, чтобы обеспечить доступ к верхней части активной зоны и бланкета, что позволяло добавлять или удалять топливо. [74]
Топливо производилось в длинных стержнях, которые затем объединялись в более крупные сборки. Топливо было обогащено до 25,6% 235, по сравнению с, возможно, 3–5% в типичном легководном реакторе. Критичность требовала около 1734 кг топлива и могла быть достигнута с помощью всего лишь 91 и максимум 111 сборок, обычно используя около 96. [75] Активная зона реактора была смещена внутри камеры реактора, с барабаном, расположенным с одной стороны. Этот барабан был соединен трубой, ведущей вверх к верхней части зоны реактора, что позволяло вставлять или извлекать топливо из реактора, не открывая его. Большая рука, похожая на коготь, над активной зоной использовалась для перемещения сборок между активной зоной и барабаном, а система, похожая на лифт, — для перемещения между барабаном и сильно экранированной ячейкой на железнодорожных путях за пределами активной зоны. [74]