Реактор Уайтшелл № 1 , или WR-1 , был канадским исследовательским реактором , расположенным в лабораториях Уайтшелл (WNRL) компании AECL в Манитобе . Первоначально известный как эксперимент с дейтериевым реактором с органическим охлаждением ( OCDRE ), [1] он был построен для проверки концепции реактора типа CANDU , в котором тяжелый водный теплоноситель заменен масляным веществом. Это имело ряд потенциальных преимуществ с точки зрения стоимости и эффективности.
Реактор мощностью 60 МВт был спроектирован и построен канадской General Electric и обошелся в 14,5 миллионов канадских долларов. Строительство началось 1 ноября 1962 года. [2] Он достиг критичности 1 ноября 1965 года [2] и полной мощности в декабре 1965 года. Попытки коммерциализации конструкции начались в 1971 году, но закончились в 1973 году, когда агрегаты с тяжеловодным охлаждением стали стандартом. С тех пор WR-1 работал на пониженных пределах мощности для экспериментов по облучению и обогрева площадки WNRE.
WR-1 был остановлен в последний раз 17 мая 1985 года, был выгружен из топлива и по состоянию на 2013 год [обновлять]находится на этапе вывода из эксплуатации , который планируется завершить в 2023 году.
Природный уран состоит из смеси изотопов , в основном 238 U и гораздо меньшего количества 235 U. Оба этих изотопа могут подвергаться делению при ударе нейтрона достаточной энергии, и как часть этого процесса они выделяют средне- энергетические нейтроны. Однако только 235 U может подвергаться делению при ударе нейтронами других атомов урана, что позволяет поддерживать цепную реакцию . 238 U нечувствителен к этим нейтронам и, следовательно, не делится , как 235 U. Хотя 235 U чувствителен к этим нейтронам, скорость реакции значительно увеличивается, если нейтроны замедляются от их первоначальных релятивистских скоростей до гораздо более низких энергий, так называемых скорости тепловых нейтронов . [3]
В массе чистого природного урана количество и энергия нейтронов, высвобождаемых в результате естественного распада, слишком малы, чтобы вызвать заметные события деления в немногих присутствующих атомах 235 U. Чтобы увеличить скорость захвата нейтронов до точки, где может возникнуть цепная реакция, известная как критичность , необходимо модифицировать систему. В большинстве случаев масса топлива разделяется на большое количество топливных таблеток меньшего размера , а затем окружается каким-либо замедлителем нейтронов , который замедляет нейтроны, тем самым увеличивая вероятность того, что нейтроны вызовут деление 235 U в других таблетках. Часто самым простым замедлителем является обычная вода; когда нейтрон сталкивается с молекулой воды, он передает ей часть своей энергии, повышая температуру воды и замедляя нейтрон. [3]
Основная проблема использования обычной воды в качестве замедлителя состоит в том, что она также поглощает часть нейтронов. Баланс нейтронов в естественной смеси изотопов настолько близок, что даже небольшое их количество, поглощаемое таким образом, означает, что их слишком мало для поддержания критичности. В большинстве конструкций реакторов эта проблема решается путем небольшого увеличения количества 235 U по сравнению с 238 U — процесс, известный как обогащение . Полученное топливо обычно содержит от 3 до 5% 235 U по сравнению с естественным значением, составляющим чуть менее 1%. Оставшийся материал, который теперь почти не содержит 235 U и состоит почти из чистого 238 U, известен как обедненный уран . [4]
Конструкция CANDU решает проблему замедления путем замены обычной воды тяжелой водой . Тяжелая вода уже имеет дополнительный нейтрон, поэтому вероятность поглощения нейтрона деления во время замедления практически исключена. Кроме того, он подвержен другим реакциям, которые еще больше увеличивают количество нейтронов, выделяющихся во время работы. Нейтронная экономика улучшена до такой степени, что даже необогащенный природный уран будет сохранять критичность, что значительно снижает сложность и стоимость заправки реактора, а также позволяет использовать ряд альтернативных топливных циклов, в которых используется еще меньше реакционноспособных элементов. Обратной стороной этого подхода является то, что атомы 235 U в топливе распределяются по большей массе топлива, что приводит к увеличению активной зоны реактора при любом заданном уровне мощности. Это может привести к увеличению капитальных затрат на строительство активной зоны реактора. [2]
Чтобы решить проблему стоимости, CANDU использует уникальную компоновку активной зоны реактора. Обычные конструкции реактора состоят из большого металлического цилиндра, содержащего топливо и замедляющую воду, который находится под высоким давлением, чтобы повысить температуру кипения воды и более эффективно отводить тепло. В то время, когда проектировался CANDU, в Канаде не было мощностей для изготовления таких больших сосудов под давлением, особенно таких, которые были бы достаточно большими, чтобы работать на природном уране. Решение заключалось в том, чтобы поместить тяжелую воду под давлением в трубки меньшего размера, а затем поместить их в гораздо больший сосуд низкого давления, известный как каландрия . Одним из основных преимуществ этой компоновки является то, что топливо можно удалять из отдельных трубок, что позволяет дозаправлять конструкцию во время работы, в то время как традиционные конструкции требуют остановки всей активной зоны реактора. Небольшим недостатком является то, что трубки также поглощают некоторое количество нейтронов, но недостаточно, чтобы компенсировать улучшенную нейтронную экономию конструкции с тяжелой водой. [2]
Серьезной проблемой при использовании любого вида воды в качестве охлаждающей жидкости является то, что вода имеет тенденцию растворять топливо и другие компоненты и в конечном итоге становится очень радиоактивной, поскольку эти материалы откладываются в воде. Это смягчается за счет использования особых сплавов для трубок и переработки топлива в керамическую форму. Хотя это эффективно снижает скорость растворения, это увеличивает стоимость переработки топлива, а также требует использования материалов, которые не вызывают коррозии и в то же время менее подвержены нейтронному охрупчиванию . Еще большей проблемой является тот факт, что вода имеет низкую температуру кипения , что ограничивает рабочие температуры. [2]
Это была основная предпосылка конструкции органического ядерного реактора . В схеме CANDU и замедлитель, и теплоноситель использовали тяжелую воду, но для этого не было никаких причин, кроме целесообразности. Поскольку основная часть замедления происходила в массе каландрии, замена небольшого количества тяжелой воды в топливных трубках другим хладагентом была простой задачей, в отличие от традиционных легководных конструкций, где приходилось добавлять какой-то другой замедлитель. [a] Использование масла означало, что проблемы с коррозией были значительно уменьшены, что позволило использовать больше обычных металлов, а также уменьшить количество растворенного топлива и, в свою очередь, радиацию в системе охлаждения. Выбранная органическая жидкость OS-84 представляет собой смесь терфенилов, каталитически обработанных водородом для получения 40 процентов насыщенных углеводородов . Терфенилы представляют собой нефтехимические производные, которые были легко доступны и уже использовались в качестве теплоносителей. [2]
Кроме того, используя материал с более высокой температурой кипения, реактор можно будет эксплуатировать при более высоких температурах. Это не только уменьшило количество теплоносителя, необходимого для отвода заданного количества энергии, и тем самым уменьшило физический размер активной зоны, но и увеличило эффективность турбин, используемых для извлечения этой энергии для выработки электроэнергии. WR-1 работал с температурой на выходе до 425 °C [2] по сравнению с примерно 310 °C в обычном CANDU. Это также означало, что нет необходимости создавать давление охлаждающей жидкости сверх того, что необходимо для проталкивания ее через охлаждающие трубки с необходимой скоростью, тогда как воду необходимо удерживать под высоким давлением, чтобы она могла достичь более высоких температур. Это позволило сделать топливные трубки тоньше, уменьшив количество нейтронов, теряемых при взаимодействии с трубками, и еще больше увеличив экономию нейтронов. [2]
Реактор имел вертикальные топливные каналы, в отличие от обычной конструкции CANDU, где трубы расположены горизонтально. В реакторе не использовались обычные стержни управления, а для регулировки выходной мощности полагался на контроль уровня тяжеловодного замедлителя. Реактор можно было быстро остановить ( SCRAMed ) за счет быстрого сброса замедлителя. [2]
В 1971 году компания AECL инициировала проектирование CANDU-OCR мощностью 500 МВт на основе топлива из карбида урана. Карбидное топливо корродирует в воде, но не в охлаждающей жидкости. Карбидное топливо было гораздо проще производить, чем более сложную керамику, используемую в большинстве конструкций реакторов. Проектные работы были прекращены в 1973 году, но WR-1 все равно проверил эту концепцию. Другая возможность заключалась в использовании металлического топлива, которое увеличивало бы плотность топлива и обеспечивало бы более высокое выгорание . Металлическое топливо лучше проводит тепло, поэтому в том же пространстве можно использовать ядро более высокой мощности. [5]
В ноябре 1978 года произошла крупная авария с потерей охлаждающей жидкости . Вытекло 2739 литров охлаждающего масла, большая часть которого попала в реку Виннипег. Ремонт занял у рабочих несколько недель. Была еще одна утечка в 1980 году объемом 680 литров. [6] [7]
WR1 был остановлен в последний раз по экономическим причинам 17 мая 1985 года, хотя это был самый молодой из крупных исследовательских реакторов AECL . Реактор находится на промежуточной стадии вывода из эксплуатации, топливо выгружено и в значительной степени разобрано. По окончании вывода из эксплуатации объект будет возвращен в статус «зеленого объекта» .