Водные гомогенные реакторы (AHR) представляют собой двухкамерный (2) реактор, состоящий из внутренней камеры реактора и внешней охлаждающей и замедляющей рубашки. Они представляют собой тип ядерного реактора , в котором растворимые ядерные соли (обычно сульфат урана или нитрат урана ) растворяются в воде. Топливо смешивается с тяжелой или легкой водой, которая частично замедляет и охлаждает реактор. Внешний слой реактора содержит больше воды, которая также частично охлаждает и действует как замедлитель . Вода может быть как тяжелой водой , так и обычной (легкой) водой , которая замедляет нейтроны и способствует стабильной реакции, обе из которых должны быть очень чистыми.
Их саморегулирующиеся особенности и способность справляться с очень большим увеличением реактивности делают их уникальными среди реакторов и, возможно, самыми безопасными. В Санта-Сусане , Калифорния , Atomics International провела серию испытаний под названием «Эксперименты с кинетической энергией». В конце 1940-х годов регулирующие стержни загружались на пружины, а затем выбрасывались из реактора за миллисекунды. Мощность реактора взлетела с ~100 Вт до более ~1 000 000 Вт, при этом не наблюдалось никаких проблем.
Водные гомогенные реакторы иногда называли «водяными котлами» (не путать с реакторами с кипящей водой ), так как вода внутри, кажется, кипит, хотя на самом деле пузырение происходит из-за производства водорода и кислорода , поскольку радиация и частицы деления разлагают воду на составляющие ее газы, процесс, называемый радиолизом . AHR широко использовались в качестве исследовательских реакторов , поскольку они саморегулирующиеся, имеют очень высокие потоки нейтронов и просты в управлении. По состоянию на апрель 2006 года, согласно базе данных исследовательских реакторов, работало только пять AHR. [1]
Проблемы коррозии, связанные с сульфатными растворами, ограничили их применение в качестве бридеров топлива на основе урана-233 из тория . Текущие конструкции используют азотнокислые растворы (например, уранилнитрат ), устраняя большинство этих проблем в нержавеющих сталях.
Первоначальные исследования гомогенных реакторов проводились ближе к концу Второй мировой войны . Химикам было больно видеть, как точно изготовленные твердотопливные элементы гетерогенных реакторов в конечном итоге растворялись в кислотах для удаления продуктов деления — «пепла» ядерной реакции . Инженеры-химики надеялись спроектировать жидкотопливные реакторы, которые бы обходились без дорогостоящего разрушения и обработки твердотопливных элементов. Однако образование газовых пузырьков в жидком топливе и коррозионное воздействие на материалы (в растворах на основе уранилсульфата ) представляли собой устрашающие проблемы проектирования и материалов.
Энрико Ферми выступал за строительство в Лос-Аламосе того, что должно было стать третьим в мире реактором, первым гомогенным жидкотопливным реактором и первым реактором, работающим на уране, обогащенном ураном-235. В конечном итоге было построено три версии, все основанные на одной и той же концепции. В целях безопасности этим реакторам было дано кодовое название «водяные котлы». Название было подходящим, потому что в версиях с большей мощностью топливный раствор, казалось, кипел, поскольку пузырьки водорода и кислорода образовывались в результате разложения водного растворителя энергичными продуктами деления, процесс, называемый радиолизом .
Реактор был назван LOPO (от low power), потому что его выходная мощность была практически нулевой. LOPO служил целям, для которых он был предназначен: определение критической массы простой топливной конфигурации и тестирование новой концепции реактора. LOPO достиг критичности в мае 1944 года после одного последнего добавления обогащенного урана . Сам Энрико Ферми был за пультом управления. LOPO был демонтирован, чтобы освободить место для второго водяного котла, который мог работать на уровнях мощности до 5,5 киловатт. Названная HYPO (от high power), эта версия использовала раствор нитрата уранила в качестве топлива, тогда как более раннее устройство использовало обогащенный сульфат уранила . Этот реактор был введен в эксплуатацию в декабре 1944 года. Многие из ключевых нейтронных измерений, необходимых при проектировании ранних атомных бомб, были выполнены с помощью HYPO. К 1950 году были желательны более высокие потоки нейтронов , поэтому были внесены значительные изменения в HYPO, чтобы обеспечить работу на уровнях мощности до 35 киловатт. Этот реактор, конечно же, назывался SUPO . SUPO работал почти ежедневно до своей остановки в 1974 году.
В 1952 году в Лос-Аламосе были проведены два набора критических экспериментов с растворами обогащенного урана в тяжелой воде в виде фторида уранила, чтобы поддержать идею Эдварда Теллера о конструкции оружия. К тому времени, как эксперименты были завершены, Теллер потерял интерес, однако результаты были затем применены для улучшения более ранних реакторов. В одном наборе экспериментов раствор находился в баках диаметром 25 и 30 дюймов (640 и 760 мм) без окружающего отражателя. Высоты растворов были отрегулированы до критичности с растворами D2O при атомных отношениях D/ 235U 1:230 и 1:419 в меньшем баке и от 1:856 до 1:2081 в большем баке. В другом наборе экспериментов сферы раствора были центрированы в сферическом контейнере диаметром 35 дюймов (890 мм), в который D2O закачивался из резервуара у основания. Критичность была достигнута в шести сферах раствора диаметром от 13,5 до 18,5 дюймов при атомных отношениях D/ 235U от 1:34 до 1:431. По завершении эксперимента это оборудование также было выведено из эксплуатации.
Первый водный гомогенный реактор, построенный в Национальной лаборатории Оук-Ридж, вышел на критический уровень в октябре 1952 года. Проектный уровень мощности в один мегаватт (МВт) был достигнут в феврале 1953 года. Высоконапорный пар реактора вращал небольшую турбину, которая вырабатывала 150 киловатт (кВт) электроэнергии , достижение, которое принесло его операторам почетное звание «Энергетическая компания Оук-Ридж». Однако AEC была привержена разработке твердотопливных реакторов, охлаждаемых водой, и лабораторные демонстрации других типов реакторов, независимо от их успеха, не изменили ее курс.
С 1974 по 1979 год KEMA ( K euring van E lektrotechnische Materialen Arnhem ) эксплуатировала водный гомогенный реактор, называемый KEMA Suspensie Test Reactor (KSTR), на своей площадке в Арнеме в Нидерландах . Реактор был построен в сотрудничестве со специалистами из ORNL (Oak Ridge National Laboratory) из-за их опыта в эксперименте с гомогенным реактором. Реактор состоял из реакторного корпуса (ø310 мм, содержимое 18,3 литра), изготовленного Werkspoor в Утрехте. Топливом служила смесь 14% UO 2 (высокообогащенный, 90% 235 U) и 86% ThO 2 в концентрации 400 г/л. Уран (6766 граммов, содержащий 6082 грамма 235 U) был доставлен NUKEM. Зерна топлива (ø 5 мкм) были разработаны KEMA с помощью уникального так называемого золь-гель процесса, который также привлек внимание промышленности. Реактор работал при температуре 255 °C (491 °F; 528 K), давлении 60 бар (6000 кПа) и максимальной мощности 1000 кВт (1300 л.с.).
Экологически чистые и экономически конкурентоспособные технологии производства радиоактивных изотопов разрабатывались в Курчатовском институте в СССР на базе реактора АРГУС – гомогенного мини-реактора на воде. СССР планировал построить серию таких ректоров, однако было построено всего два: один в Курчатовском институте и второй в конце 80-х годов в Душанбе, Таджикская ССР . Однако они не были введены в эксплуатацию из-за распада Советского Союза .
В 2017 году правительство Таджикистана начало реконструкцию и ремонт [2] своего реактора по производству молибдена-99, в первую очередь для медицинских целей.
Реактор в Курчатовском институте тепловой мощностью 20 кВт работает с 1981 года и показал высокие показатели эффективности и безопасности. В настоящее время ведутся технико-экономические обоснования по разработке технологий получения стронция-89 и молибдена-99 на этом реакторе. Анализ полученных изотопов, выполненный в Национальном институте радиоактивных элементов в Бельгии , показал, что образцы Mo-99, полученные на ARGUS, характеризуются чрезвычайной радиохимической чистотой, т.е. содержание примесей в них на 2–4 порядка ниже допустимых норм. Среди радиоактивных медицинских изотопов широко распространены Mo-99 и Sr-89. Первый из них является сырьем для получения технеция -99m — радиофармацевтического препарата для диагностики онкологических , кардиологических , урологических и других заболеваний. Ежегодно в Европе с помощью этого изотопа обследуют более 6 млн человек .
Возможность извлечения медицинских изотопов непосредственно из поточного топлива вызвала новый интерес к водным гомогенным реакторам на основе этой конструкции. [3] Компания BWX Technologies (ранее Babcock & Wilcox ) предложила водный гомогенный реактор для производства Tc-99m . [4]
Использование водного гомогенного ядерного реактора деления для одновременного производства водорода путем радиолиза воды и производства технологического тепла было изучено в Мичиганском университете в Энн-Арборе в 1975 году. Несколько небольших исследовательских проектов продолжают это направление исследований в Европе.
Atomics International спроектировала и построила ряд маломощных (от 5 до 50 000 ватт тепловой энергии) ядерных реакторов для исследовательских, учебных и изотопных целей. Одна модель реактора, L-54, была куплена и установлена рядом университетов США и зарубежных исследовательских институтов, включая Японию. [5]
