WikiDer > Эксперимент с реактором на самолете

Aircraft Reactor Experiment
Эксперимент с реактором самолета во время сборки, показывающий BeO Модератор блоки, чередующиеся с циркулирующими топливными трубками

В Эксперимент с авиационным реактором (АРЭ) был экспериментальным ядерный реактор разработан для проверки возможности использования жидкотопливных, высокотемпературных реакторов с высокой удельной мощностью для обеспечения движения сверхзвуковой самолет. Работал с 8 по 12 ноября 1954 г. Национальная лаборатория Окриджа (ORNL) с максимальной устойчивой мощностью 2,5 мегаватты (МВт) и выработал в общей сложности 96 МВт-часов энергии.[1]

ARE был первым реактором, в котором использовался циркуляционный расплавленная соль топливо. Сотни инженеров и ученых, работающих над ARE, предоставили технические данные, оборудование, оборудование и опыт, которые позволили более широкое развитие реакторы на расплаве солей а также реакторы с жидкометаллическим теплоносителем.

Фон

Концепция самолета с ядерным двигателем впервые была официально изучена в мае 1946 г. Военно-воздушные силы армии США.[2] Предполагалось, что уникальные характеристики ядерной энергии могут быть применены к сверхзвуковому полету на большие расстояния, который считался очень ценным с точки зрения военной стратегии. Проблемы в предложении были поняты немедленно, и к 1950 г. Комиссия по атомной энергии объединился с ВВС, чтобы изучить возможности развития технологий в Ядерная тяга самолета (ANP) программа.

Персонал ORNL проекта ANP решил, что техническая информация и опыт, необходимые для поддержки цели полета с ядерной установкой, могут быть наиболее экономически выгодны при строительстве и эксплуатации ARE. Они считали задачу полета сверхзвукового самолета на ядерной энергии чрезвычайно сложной и полагали, что может потребоваться более одного экспериментального реактора, прежде чем будет получена достаточная информация для проектирования и строительства реактора для полета.

Первоначально ARE задумывался как жидкий натрий с металлическим охлаждением Оксид бериллия (BeO) твердотопливный реактор. Блоки замедлителя ВеО были закуплены с учетом твердотопливной конструкции. Однако опасения относительно цепная реакция стабильность, связанная с ксенон в твердом топливе при очень высоких температурах были достаточно серьезными, чтобы оправдать отказ от твердого топлива и его замену циркулирующим жидким топливом. Вариант с жидким топливом с расплавом фторидной соли был переработан в первоначальную конструкцию.[3]

Реактор

Схема эксперимента с реактором самолета
Поперечный разрез экспериментального реактора самолета

ARE был спроектирован как прототип 350-мегаваттного авиационного реактора с циркулирующим топливом с BeO-замедлителем. Он использовал топливо, состоящее из 53,09 мол.% NaF, 40,73 мол.% ZrF.4и 6,18 мол.% UF4. Реактор представлял собой BeO-цилиндр с изогнутыми трубками, по которым топливо проходило через активную зону в обоих направлениях. Он был окружен Инконель ракушка.[4] Срок службы ARE составляет 1000 часов, при этом максимально возможное время работы на полной мощности 3 мегаватт. Расчетная температура топлива составляла 1500 ° F (820 ° C) с повышением температуры в активной зоне на 350 ° F (180 ° C), хотя пиковая температура достигла 1580 ° F (860 ° C) при устойчивой работе и достигла пика 1620 ° C. ° F (882 ° C) в переходных режимах. 46 галлонов США (170 л) топлива проходило через реактор в минуту при давлении в активной зоне около 40 фунтов на квадратный дюйм (2,8 бар). Натрий прокачивали через реактор со скоростью 150 галлонов США (570 л) в минуту при давлении около 50 фунтов на квадратный дюйм (3,4 бара).[1]

Топливная соль передала тепло гелий петля, которая затем передавала тепло воде. Дополнительно отражатель и Модератор блоки охлаждались охлаждающим контуром из жидкого металлического натрия, который также передавал тепло гелию, а затем воде.

Реактор содержал один источник нейтронов (15 кюри полоний-бериллиевых), один регулирующий стержень и три гелиевых охлаждаемых карбид бора регулировочные стержни. Эксперимент был оснащен двумя камеры деления, два компенсированных ионизационные камеры, и 800 термопары.

Система управления ARE могла автоматически Катись реактор на основе высоких нейтронный поток, быстрый период реактора, высокая температура топлива на выходе из реактора, низкая температура топлива в теплообменнике, низкий расход топлива и потеря мощности за пределами площадки.

Программа развития

Испытательные контуры естественной конвекции на коррозию, используемые во время проекта авиационной ядерной двигательной установки для выбора подходящих комбинаций топлива и материалов
Полномасштабный макет Aircraft Reactor Experiment с прозрачными трубами. Используется для замедления процессов наполнения и слива при низкой температуре
Вид компоновки оборудования в эксперименте "Авиационный реактор"
Топливный насос расплавленной соли, использованный в эксперименте с реактором самолета

Камера теплообменника занимала значительно больше места, чем камеры реактора и отвала.

Амбициозные цели и военное значение ANP послужили катализатором значительного количества исследований и разработок сложных систем для борьбы с высокими температурами, высокими температурами.радиация среды.

Исследования коррозии и обращения с горячим натрием начались в 1950 году.

Исследования технических и производственных проблем, связанных с обращением с расплавленными фторидными солями, начались в 1951 году и продолжались до 1954 года. Естественная конвекция коррозия Испытательные контуры использовались для отбора подходящих комбинаций материалов и топлива. Последующие исследования в испытательных контурах с принудительной циркуляцией установили средства минимизации коррозии и массообмен.

Разработка насосов, теплообменники, клапаны, приборы для измерения давления, и холодные ловушки охватывала период с конца 1951 года по лето 1954 года. Большая часть работы была основана на обширном опыте работы с более низкими температурами от Аргоннская национальная лаборатория и Лаборатория атомной энергии Knolls.

Необходимо было разработать методы, касающиеся конструкции, предварительного нагрева, контрольно-измерительного оборудования и изоляции надежных герметичных высокотемпературных цепей, изготовленных из Инконель. Они обнаружили, что необходима цельносварная конструкция.

В целом разработка оборудования для обеспечения высокотемпературной герметичной эксплуатации длилась около четырех лет.[5]

Сводный отчет ARE по опасностям[6] выпущен 24 ноября 1952 г.

Для проверки расчетных моделей был собран макет низкотемпературного критического реактора. Блоки замедлителя ВеО снабжены прямыми трубками, заполненными порошковой смесью для имитации топлива. Были измерены критическая масса, стоимость регулирующего стержня, стоимость предохранительного стержня, распределение нейтронного потока и коэффициенты реактивности для широкого спектра материалов.[7]

Строительство испытательного корпуса началось 6 июля 1951 года.[4]

План здания экспериментального корпуса авиационного реактора

Эксплуатация и эксперименты

АРЭ работал успешно. Это стало критическим с массой 32,8 фунта (14,9 кг). уран-235. Он был очень стабильным из-за сильного отрицательного температурный коэффициент топлива (измерено при -9,8e-5 dk / k / ° F).

Сборка была впервые собрана в достаточной степени 1 августа 1954 года, после чего началась трехсменная работа для испытаний. С 26 сентября через систему пропускали горячий металлический натрий для испытания технологического оборудования и контрольно-измерительных приборов. Проблемы с отводом натрия и системами очистки натрия потребовали длительного ремонта. После нескольких сбросов и повторных загрузок натрия в систему была введена соль-носитель 25 октября. Впервые топливо было добавлено в реактор 30 октября 1954 года. критичность было достигнуто в 15:45. 3 ноября, после кропотливого и тщательного добавления обогащенный топливо. Большая часть четырех дней была потрачена на снятие пробок и устранение утечек в линии обогащения.

Центр управления экспериментальным реактором самолета при начальной критичности

Периодически отбирались серии проб топлива. В частности, они показали увеличение хром содержание со скоростью 50 ppm / день, что указывает на быструю коррозию топливных трубок.

Сцена управления стержнем эксперимента авиационного реактора во время работы: изучение диаграмм во время экспериментов по калибровке стержня

В поддержку его миссии в АРЭ была проведена серия экспериментов.[1]

  • Критический эксперимент
  • Докритическое измерение температурного коэффициента реактора
  • Определение мощности при 1 ватте (номинальное)
  • Калибровка регулирующего стержня в зависимости от добавления топлива
  • Характеристики топливной системы
  • Определение мощности при 10 Вт
  • Калибровка регулирующего стержня в зависимости от периода реактора
  • Калибровка регулировочного стержня по сравнению с регулирующим стержнем
  • Влияние расхода топлива на реактивность
  • Маломощное измерение температурного коэффициента реактора
  • Регулировка положения камеры
  • Подход к мощности: пробег 10 кВт
  • Испытание системы отвода газа
  • Подход к мощности: от 100 кВт до 1 МВт
  • Мощное измерение температурного коэффициента топлива
  • Мощное измерение температурного коэффициента реактора
  • Пуск реактора по температурному коэффициенту
  • Температурный коэффициент натрия
  • Эффект доллар реактивности
  • Мощное измерение температурного коэффициента реактора
  • Температурный коэффициент замедлителя
  • Ксенон работает на полную мощность
  • Эффекты реактивности потока натрия
  • Накопление ксенона на одной десятой полной мощности
  • Работа на максимальной мощности

В 16:19. 8 ноября во время выхода на большую мощность реактор был остановлен из-за измерений высокой радиоактивности в воздухе в подвале. Выяснилось, что газовая арматура к главному топливному насосу протекала. продукт деления газы и пары в ямы, и ямы просачивались в подвал через дефектные уплотнения в некоторых электрических распределительных щитках. Трубопровод диаметром 2 дюйма (5 см) был проложен от карьеров на 1000 футов (300 м) к югу в необитаемую долину. Портативный компрессоры и струя использовались, чтобы довести ямы до давления ниже атмосферного для остальной части эксперимента. Защитные детекторы излучения несколько раз останавливали реактор во время перезапуска и были выведены, чтобы быть дальше от реактора. В конце концов, реактор снова заработал и достиг большой мощности.

12 ноября работа реактора была продемонстрирована личному составу ВВС и АНП, собравшимся в ОРНЛ на ежеквартальную информационную встречу. Загрузить после была продемонстрирована путем включения и выключения воздуходувок. После выполнения всех оперативных задач было принято решение о прекращении операции. Полковник Клайд Д. Гассер посещал лабораторию в это время и был приглашен принять участие в завершении эксперимента. В 20.04 он в последний раз заглушил реактор.

Окончательный останов экспериментального реактора самолета. Полковник ВВС Гассер посетил в то время и имел честь вскрыть реактор.

Было опубликовано много информации о работе реактора, включая подробные журналы экспериментов, кривые мощности и в общей сложности 33 извлеченных урока.[1]

Вывод из эксплуатации

Приямок теплообменника АРЭ при выводе из эксплуатации
Эксперимент реактора самолета на грузовике на пути к могильнику

В период между остановкой и сбросом топлива обслуживающий персонал должен был носить противогазы из-за высокого уровня радиоактивности в воздухе, вызванного утечкой отходящего газа, которую точно так и не обнаружили.[8] 13 ноября горючее было переложено в сливную цистерну. Соль-носитель под давлением промывала трубы и разбавляла сливной резервуар. Соль для промывки нагревали до температуры на 100 ° F (38 ° C) выше температуры системы и прокачивали через топливные каналы. Операторы наблюдали за термопарами, чтобы убедиться, что промывочная соль течет по всем каналам.

После сброса топлива оперативный персонал должен был эвакуировать здание в течение одного часа после того, как газ от продувки топлива, который был выпущен из трубы, спустился и попал в вентиляторы на крыше здания. Натриевая система была опорожнена без происшествий.

Две плоские 6 футов (1,8 м) на 4 фута (1,2 м) свинцовые щиты с толщиной 2 дюйма (5,1 см) были подвешены в ячейке теплообменника для защиты персонала, выводящего из эксплуатации, от излучения топливных систем.

Сначала были перерезаны водопроводные линии. Затем натриевые линии были вырезаны ножовками и сразу заклеены несколькими слоями малярного скотча. Натриевый насос был очищен, а рабочее колесо снято для проверки. После снятия натриевого насоса и теплообменника поле излучения в помещении увеличилось до 600 мрем/ час. Оборудование защищало территорию от излучения топливной системы.

Топливная система была тщательно разобрана, начиная с февраля 1955 года. Обследование чаши главного топливного насоса производилось со скоростью 900 мбэр / час на высоте 5 футов (2 м). Портативный измельчитель, которым можно было управлять из свинцового ящика, был построен для разрезания топливопроводов рядом с корпусом реактора. Освободившись, реактор переместили на склад, а затем в могильник. Топливо в сливной цистерне подлежало переработке.

Для детального анализа и исследования было отобрано около 60 образцов оборудования и материалов. Металлографический, активация, визуальный, стереофотографический, и были проведены испытания на герметичность.

Следовать за

Тяжелая конструкция, подходящая для ART в здании, где раньше находились

После запуска ARE проект ANP перешел к планам по созданию более крупного эксперимента - испытания авиационного реактора мощностью 60 МВт (ART).[9] АРТ должен был быть NaF-ZrF4-UF4Активная зона с Be-замедлителем и Be-отражением с металлическим натрием в качестве охлаждающей жидкости отражателя и NaK в качестве вторичной охлаждающей жидкости. Его щит был сделан из свинца и борированной воды.

Здание 7503 в ORNL было подвергнуто значительным повторным раскопкам в рамках проекта расширения, включая новые глубокие раскопки для размещения ART, но программа была отменена до проведения нового эксперимента.[10] Позже в здании и сооружениях разместились Эксперимент в реакторе с расплавленной солью.

Рекомендации

  1. ^ а б c d Коттрелл, У. (1955-09-06). «Эксплуатация авиационного реакторного эксперимента». Национальная лаборатория Ок-Ридж. (ORNL-1845). OSTI 4237975.
  2. ^ Ганц, Кеннет (1960). Ядерный полет; программы ВВС США по атомным самолетам, ракетам и ракетам. Нью-Йорк: Дуэлл, Слоан и Пирс. Получено 16 февраля 2020.
  3. ^ Bettis, E.S .; Schroeder, R.W .; Кристи, Г.А. (1957). "Эксперимент с реактором самолета - разработка и изготовление". Ядерная наука и инженерия. 2 (6): 804–825. Дои:10.13182 / NSE57-A35495.
  4. ^ а б Коттрелл, редактор, W. B. (1952-06-02). «Реакторная программа проекта авиационной ядерной двигательной установки» (PDF). Национальная лаборатория Ок-Ридж (ORNL-1234): 44. Получено 16 февраля 2020.
  5. ^ Savage, H.W. (1958-09-18). «Компоненты плавленосолевой и натриевой цепей авиационного реакторного эксперимента». Национальная лаборатория Ок-Ридж. (ORNL-2348). OSTI 4308571.
  6. ^ Коттрелл, У. (1952-11-24). "КРАТКИЙ ОТЧЕТ ОБ ОПАСНОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТА ВОЗДУШНЫХ РЕАКТОРОВ". Национальная лаборатория Ок-Ридж. (ORNL-1407). OSTI 4704625.
  7. ^ Каллихан, Диксон; Скотт, Данлэп (1953-10-28). «ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ КРИТИЧЕСКАЯ МОНТАЖА ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТА ВОЗДУШНОГО РЕАКТОРА». Национальная лаборатория Ок-Ридж. ОРНЛ-1634. OSTI 4361426.
  8. ^ Коттрелл, У. (1958-04-15). «РАЗБОРКА И ПОСЛЕОПЕРАЦИОННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА РЕАКТОРА АВИАЦИИ». Национальная лаборатория Ок-Ридж. ОРНЛ-1868. OSTI 4223435.
  9. ^ Фраас, А.П. (1956-12-21). «Проектный отчет об испытании авиационного реактора» (PDF). Национальная лаборатория Ок-Ридж. ORNL-2095. Получено 16 февраля 2020.
  10. ^ Фергюсон, В.Ф. (1958-11-21). «ОТЧЕТ О ПРЕКРАЩЕНИИ СТРОИТЕЛЬСТВА ХУДОЖЕСТВЕННОГО ОБЪЕКТА» (PDF). Национальная лаборатория Ок-Ридж. ORNL-2465. Получено 17 февраля 2020.