Реактор NRX

Реактор NRX — это канадский тяжеловодный исследовательский ядерный реактор, работавший на природном уране. Был построен в Лабораториях Чок-Ривер (провинция Онтарио, Канада) и введён в эксплуатацию 22 июля 1947 года. NRX стал одним из первых в мире реакторов большой мощности, предназначенных для научных исследований, производства радиоизотопов и отработки материалов для ядерной энергетики. Реактор сыграл ключевую роль в развитии канадской ядерной программы и в изучении нейтронной физики.

История создания

Предпосылки

В ходе Второй мировой войны Канада участвовала в Манхэттенском проекте, в рамках которого в Монреале была создана лаборатория по изучению ядерных реакций. Канадские учёные, работавшие совместно с британскими и французскими коллегами, занимались разработкой тяжеловодных реакторов. В 1944 году был запущен первый канадский реактор ZEEP (Zero Energy Experimental Pile), который стал первым действующим ядерным реактором за пределами США. Опыт, полученный при эксплуатации ZEEP, показал перспективность использования тяжелой воды в качестве замедлителя и природного урана в качестве топлива.

Строительство и запуск

В 1945 году было принято решение о строительстве более мощного реактора, получившего название NRX (National Research Experimental). Проект разрабатывался под руководством Национального исследовательского совета Канады (NRC). Строительство началось в 1946 году на площадке в Чок-Ривер. Реактор был спроектирован с использованием тяжелой воды (D₂O) в качестве замедлителя и охлаждающей жидкости, а также природного урана (U-238 с содержанием U-235 около 0,7%) в качестве топлива.

22 июля 1947 года реактор NRX достиг критичности. Его первоначальная мощность составляла около 10 МВт (тепловых), что значительно превышало мощность ZEEP и делало его одним из самых мощных исследовательских реакторов того времени. В 1952 году мощность была увеличена до 42 МВт.

Авария 1952 года

12 декабря 1952 года на реакторе NRX произошла одна из первых в мире серьёзных ядерных аварий. В результате ошибки оператора и механической неисправности (разрыв топливного канала) произошёл частичный расплав активной зоны. Вода, содержащая радиоактивные продукты деления, вылилась в подвальное помещение реактора. Авария привела к выбросу значительного количества радиоактивных веществ, однако благодаря герметичности здания и быстрой эвакуации персонала пострадавших не было. Восстановительные работы заняли около года, после чего реактор был вновь запущен. Этот инцидент стал важным уроком для мировой ядерной безопасности, повлияв на разработку систем аварийной защиты и процедур управления.

Конструкция и принцип работы

Основные компоненты

Реактор NRX представлял собой гетерогенный реактор бассейнового типа. Его конструкция включала:

• Активная зона: цилиндрический алюминиевый бак (каландрия) диаметром около 2,5 м, заполненный тяжелой водой. Внутри каландрии располагались вертикальные топливные каналы (трубы), в которые загружались урановые стержни. Всего было около 200 топливных каналов.
• Топливо: стержни из природного урана, заключённые в алюминиевую оболочку. Каждый стержень имел длину около 3 м и диаметр около 3 см.
• Замедлитель: тяжелая вода (D₂O), которая замедляла нейтроны, образующиеся при делении урана, до тепловых энергий, необходимых для поддержания цепной реакции. Замедлитель циркулировал через активную зону и охлаждался в теплообменниках.
• Охлаждение: топливные стержни охлаждались потоком обычной (лёгкой) воды, проходящей через каналы. Эта вода также служила дополнительным замедлителем и защитой от излучения.
• Отражатель: вокруг активной зоны размещался слой графита, который отражал нейтроны обратно в зону, повышая эффективность реактора.
• Системы управления: для регулирования мощности использовались стержни из кадмия (поглотители нейтронов), которые могли вводиться в активную зону или выводиться из неё.

Принцип действия

Реактор работал на тепловых нейтронах. Природный уран, содержащий 0,7% изотопа U-235, способен поддерживать цепную реакцию только при условии эффективного замедления нейтронов. Тяжелая вода, имеющая низкое поглощение нейтронов, обеспечивала это условие. В активной зоне нейтроны, испускаемые при делении U-235, замедлялись в D₂O до тепловых скоростей, после чего вызывали новые деления. Избыточные нейтроны, не участвовавшие в реакции, поглощались U-238, превращая его в плутоний-239 (Pu-239), который также мог делиться.

Применение

Научные исследования

NRX был одним из самых мощных источников нейтронов в мире на момент своего создания. Он использовался для:

• Нейтронной физики: изучение свойств нейтронов, их взаимодействия с различными материалами, измерение сечений деления и поглощения.
• Ядерной спектроскопии: исследование гамма-излучения, испускаемого при делении ядер.
• Материаловедения: облучение образцов для изучения радиационных повреждений, что было важно для разработки топлива и конструкционных материалов для будущих реакторов.

Производство радиоизотопов

Реактор NRX стал основным источником радиоизотопов для медицинских и промышленных целей в Канаде и за её пределами. Среди производимых изотопов были:

• Кобальт-60 (Co-60): используется в лучевой терапии рака и для стерилизации медицинского оборудования.
• Технеций-99m (Tc-99m): наиболее распространённый радиоизотоп в ядерной медицине для диагностики заболеваний.
• Иод-131 (I-131): применяется для лечения заболеваний щитовидной железы.
• Плутоний-239 (Pu-239): нарабатывался в реакторе для исследований в области ядерного оружия и энергетики.

Разработка ядерных технологий

Опыт эксплуатации NRX был использован при проектировании более мощного реактора NRU (National Research Universal), запущенного в 1957 году. NRU также стал важным исследовательским инструментом и проработал до 2018 года. NRX и NRU вместе заложили основу для канадской программы тяжеловодных реакторов CANDU (CANada Deuterium Uranium), которые стали основой атомной энергетики Канады.

Значение и наследие

Научный вклад

Реактор NRX внёс значительный вклад в развитие ядерной физики и химии. На нём были проведены эксперименты, подтвердившие теоретические модели деления ядер. Он также позволил получить первые данные о поведении материалов в условиях интенсивного нейтронного облучения, что было критически важно для создания коммерческих реакторов.

Влияние на ядерную медицину

Производство радиоизотопов на NRX сделало Канаду одним из мировых лидеров в области ядерной медицины. До 1960-х годов реактор обеспечивал до 70% мирового спроса на Co-60. Впоследствии, с развитием других реакторов, доля NRX снизилась, но он оставался важным источником изотопов до своего закрытия.

Безопасность

Авария 1952 года на NRX стала первым серьёзным инцидентом в истории ядерной энергетики, который привёл к пересмотру подходов к проектированию и эксплуатации реакторов. Уроки, извлечённые из неё, были учтены при создании систем безопасности на последующих реакторах, включая CANDU.

Закрытие

Реактор NRX был окончательно остановлен в 1992 году после 45 лет эксплуатации. За это время он отработал более 300 000 часов. Вывод из эксплуатации начался в 1993 году и включал демонтаж оборудования, дезактивацию зданий и утилизацию радиоактивных отходов. Работы завершились в начале 2000-х годов. В настоящее время площадка в Чок-Ривер используется для других исследовательских проектов, в том числе для реактора ZED-2 (запущен в 1960 году).

Источники

• Lewis, W. B. (1953). «The NRX Reactor». Atomic Energy of Canada Limited.
• Cottrell, A. H. (1956). «The NRX Reactor and Its Uses». Nature.
• «The NRX Reactor: A History». Canadian Nuclear Association.
• «Accident at the NRX Reactor, 1952». International Atomic Energy Agency (IAEA) Safety Reports.
• «Canada’s Nuclear History: The NRX and NRU Reactors». Canadian Nuclear Society.