Ядерный графит - Nuclear graphite

Ядерный графит любая степень графит, обычно синтетический графит, специально изготовленные для использования в качестве Модератор или же отражатель в пределах ядерный реактор. Графит - важный материал для строительства как исторических, так и современных ядерные реакторы благодаря своей исключительной чистоте и способности выдерживать экстремально высокие температуры. Графит также недавно использовался в ядерной термоядерные реакторы а также, например, Вендельштейн 7-X. По данным экспериментов, опубликованных в 2019 году, использование графита в элементах стелларатор стенка и дивертор с графитовым островком значительно улучшили характеристики плазмы внутри устройства; что обеспечивает лучший контроль над выбросами примесей и тепла, а также длительные разряды с высокой плотностью.[1]

Графит сердечника из Эксперимент в реакторе с расплавленной солью

История

Ядерное деление, создание ядерная цепная реакция в уран, был открыт в 1939 году после экспериментов Отто Хан и Фриц Штрассман, и интерпретация их результатов физиками, такими как Лиз Мейтнер и Отто Фриш.[2] Вскоре после этого слухи об открытии распространились по всему международному физическому сообществу.

Чтобы процесс деления протекал по цепочке, нейтроны, создаваемые делением урана, должны быть замедлены путем взаимодействия с замедлитель нейтронов (элемент с низким атомным весом, который "подпрыгнет" при ударе нейтрона) прежде, чем они будут захвачены другими атомами урана. К концу 1939 года стало хорошо известно, что двумя наиболее многообещающими модераторами были тяжелая вода и графит.[3]

В феврале 1940 г. за счет средств, частично выделенных в результате Письмо Эйнштейна-Сциларда Президенту Рузвельту, Лео Сцилард закупили несколько тонн графита у компании Speer Carbon и у Национальная углеродная компания (Национальное углеродное отделение Union Carbide and Carbon Corporation в Кливленде, штат Огайо) для использования в Энрико Ферми первые эксперименты по делению, так называемый экспоненциальный реактор.[4]:190 Ферми пишет, что «результаты этого эксперимента были [sic] несколько обескураживающими».[5] предположительно из-за поглощения нейтронов какой-то неизвестной примесью.[6]:40 Итак, в декабре 1940 года Ферми и Сцилард встретились с Герберт Дж. Макферсон и В. К. Хамистер из National Carbon, чтобы обсудить возможное наличие примесей в графите.[7]:143 В ходе этого разговора выяснилось, что крошечные количества бор примеси были источником проблемы.[3][8]

В результате этой встречи в течение следующих двух лет Макферсон и Хамистер разработали в компании National Carbon методы термической очистки и очистки газа для производства безборного графита.[8][9] Полученный продукт был обозначен компанией National Carbon как графит AGOT («Обычная температура графита Ачесона»), и это был «первый настоящий графит ядерной чистоты».[10]

В этот период Ферми и Сциллард закупили графит у нескольких производителей с различной степенью поглощение нейтронов поперечное сечение: Графит AGX из Национальная углеродная компания с 6,68 мб (миллибар), графит США от United States Graphite Company с поперечным сечением 6,38 мбар, графит Speer от Speer Carbon Company с поперечным сечением 5,51 мбар, а когда он стал доступен, графит AGOT от National Carbon с поперечным сечением 4,97 мбарн.[6]:178[11]:4 (См. Также Haag [2005].) К ноябрю 1942 года National Carbon отправила 250 тонн графита AGOT в Чикагский университет.[4]:200 где он стал основным источником графита, который использовался в строительстве фермиевского Чикаго Пайл-1, первый ядерный реактор, вызвавший устойчивую цепную реакцию (2 декабря 1942 г.).[6]:295 Графит AGOT был использован для создания Графитовый реактор Х-10 в Ок-Ридж, штат Теннесси (начало 1943 г.) и первые реакторы на Хэнфорд сайт в Вашингтоне (середина 1943 г.),[11]:5 для производства плутония во время и после Второй мировой войны.[8][10] Процесс AGOT и его более поздние усовершенствования стали стандартными технологиями при производстве ядерного графита.[11]

Нейтронное сечение графита также исследовалось во время Второй мировой войны в Германии. Уолтер Боте, П. Дженсен и Вернер Гейзенберг. Самый чистый графит, доступный им, был продуктом из Сименс Компания Plania, представившая поглощение нейтронов поперечное сечение около 6,4 мб[12]:370 до 7,5 мб (Haag 2005). Поэтому Гейзенберг решил, что графит не подходит в качестве замедлителя в конструкции реактора с использованием природный уран, из-за этой очевидно высокой скорости поглощения нейтронов.[3][12][13] Следовательно, усилия Германии по созданию цепной реакции включали попытки использовать тяжелая вода, дорогая и дефицитная альтернатива, которую стало еще труднее приобрести из-за Норвежский саботаж тяжелой воды норвежскими и союзными войсками. Написав это еще в 1947 году, Гейзенберг все еще не понимал, что единственной проблемой графита является примесь бора.[13]

Эффект Вигнера

Основная статья: Эффект Вигнера

В декабре 1942 г. Юджин Вигнер предложенный[14] что бомбардировка нейтронами может привести к дислокациям и другим повреждениям в молекулярной структуре материалов, таких как графитовый замедлитель в ядерном реакторе ( Эффект Вигнера ). Возникшее в результате накопление энергии в материале стало поводом для беспокойства.[10]:5 Было высказано предположение, что графитовые стержни могут сливаться вместе, как химические связи на поверхности стержней при открытии и повторном закрытии. Не исключалась даже возможность того, что графитовые детали могут очень быстро распасться на мелкие кусочки. Однако первые энергетические реакторы (Графитовый реактор X-10 и Реактор Hanford B ) пришлось строить без таких знаний. Циклотроны, которые были единственными быстрый нейтрон источники доступно, потребуется несколько месяцев, чтобы произвести нейтронное облучение, эквивалентное одному дню в реакторе Хэнфорда.

Это стало отправной точкой для крупномасштабных исследовательских программ по изучению изменений свойств из-за быстрого излучение частиц и прогнозировать их влияние на безопасность и срок службы графитовых реакторов, которые будут построены. Влияние излучения быстрых нейтронов на сила, электрические и теплопроводность, тепловое расширение, стабильность размеров, от накопления внутренней энергии (Энергия Вигнера ), и многие другие свойства наблюдались много раз и во многих странах после первых результатов, полученных на реакторе Х-10 в 1944 году.

Хотя катастрофического поведения, такого как плавление или крошение кусков графита, никогда не происходило, большие изменения многих свойств все же являются результатом облучения быстрыми нейтронами, которые необходимо учитывать при проектировании графитовых компонентов ядерных реакторов. Хотя еще не все эффекты хорошо изучены, более 100 графитовых реакторов успешно работают в течение десятилетий с 1940-х годов. Несколько тяжелых аварий в графитовых реакторах ни в коем случае нельзя отнести на счет недостаточной информации (на момент проектирования) о свойствах используемого графита.[нужна цитата ] В 2010-х годах сбор новых данных о свойствах материалов значительно расширил наши знания. [15][16]

Чистота

Графит реакторного качества не должен содержать нейтронопоглощающих материалов, особенно бор, имеющий большое сечение захвата нейтронов. Источники бора в графите включают сырье, упаковочные материалы, используемые при выпечке продукта, и даже мыло (например, бура), используемое для стирки одежды, которую носят рабочие в механическом цехе.[11]:80 Концентрация бора в термически очищенном графите (таком как графит AGOT) может быть менее 0,4 ppm.[11]:81 а в химически очищенном ядерном графите оно составляет менее 0,06 частей на миллион.[11]:47

Поведение при облучении

Это описывает поведение ядерного графита, особенно при облучении быстрыми нейтронами.

Рассматриваются конкретные явления:

Поскольку состояние ядерного графита в активных реакторах может быть определено только при плановых проверках, примерно каждые 18 месяцев, математическое моделирование ядерного графита по мере приближения его срока службы является важным. Однако, поскольку можно исследовать только элементы поверхности, а точное время изменений неизвестно, моделирование надежности особенно сложно.[17]

Производство

Ядерный графит для Великобритании Магнокс реакторы были изготовлены из нефтяной кокс смешанный со связующим на угольной основе подача с подогревом и экструдированный в заготовки, а затем запекали при 1000 ° C в течение нескольких дней. Уменьшить пористость и увеличить плотность заготовки пропитывались каменноугольная смола при высокой температуре и давлении перед окончательной выпечкой при 2800 ° C. Затем отдельные заготовки обработанный в окончательные необходимые формы.[18]

Аварии в реакторах с графитовым замедлителем

Было два основных несчастные случаи в реакторах с графитовым замедлителем Уиндскейл огонь и Чернобыльская катастрофа.

При пожаре в Виндскейле использовался непроверенный процесс отжига графита, который вызвал перегрев в неконтролируемых областях активной зоны и непосредственно привел к возгоранию. Материалом, который воспламенился, был не сам графитовый замедлитель, а скорее канистры с металлическим урановым топливом внутри реактора. Когда пожар был потушен, было обнаружено, что единственные области графитового замедлителя, подвергшиеся термическому повреждению, были те, которые находились рядом с горящими канистрами с горючим.[19][20]

В случае аварии на Чернобыльской АЭС модератор не отвечал за основное событие. Вместо этого массивный скачок мощности во время неудачного испытания вызвал катастрофический отказ корпуса реактора и почти полную потерю подачи теплоносителя. В результате топливные стержни быстро плавились и текли вместе в состоянии чрезвычайно высокой мощности, в результате чего небольшая часть активной зоны достигала состояния разгона. срочная критичность и приводит к массивному высвобождению энергии,[21] в результате взрыва активной зоны реактора и разрушения здания реактора. Массовое выделение энергии во время первичного события привело к перегреву графитового замедлителя, а разрушение корпуса реактора и здания позволило перегретому графиту вступить в контакт с кислородом воздуха. В результате загорелся графитовый замедлитель, выбросив шлейф высокорадиоактивных осадков в атмосферу и на очень обширную территорию.[22]

Рекомендации

  • Хааг, Г. 2005, Свойства графита ATR-2E и изменения свойств из-за облучения быстрыми нейтронами, FZ-Juelich, Juel-4813.
  1. ^ Klinger, T .; и другие. (2019). «Обзор первой высокопроизводительной операции Wendelstein 7-X». Термоядерная реакция. 59: 112004. Дои:10.1088 / 1741-4326 / ab03a7.
  2. ^ Робертс, Р. Б.; Койпер, Дж. Б. Х. (1939), «Уран и атомная энергия», Журнал прикладной физики, 10: 612–614, Bibcode:1939JAP .... 10..612R, Дои:10.1063/1.1707351
  3. ^ а б c Бете, Ганс (2000), «Немецкий урановый проект», Физика сегодня, Американский институт физики, 53 (7): 34–36, Bibcode:2000ФТ .... 53г..34Б, Дои:10.1063/1.1292473
  4. ^ а б Сальветти, Карло (2001). «Куча Ферми». В С. Бернардини и Л. Бонолис (ред.). Энрико Ферми: его работа и наследие. Нью-Йорк Н. Я .: Springer Verlag. стр.177–203. ISBN  3540221417.
  5. ^ Ферми, Энрико (1946), "Разработка первой котла с цепной реакцией", Труды Американского философского общества, 90 (1): 2024
  6. ^ а б c Ферми, Энрико (1965). Сборник статей. 2. Издательство Чикагского университета.
  7. ^ Сциллард, Гертруда; Варт, Спенсер (1978). Лео Сцилард: его версия фактов. II. MIT Press. ISBN  0262191687.
  8. ^ а б c Вайнберг, Элвин (1994), "Герберт Г. Макферсон", Мемориальные Дани, 7, Национальная академия инженерной печати, стр. 143–147.
  9. ^ Currie, L.M .; Hamister, V.C .; Макферсон, Х. Г. (1955). Производство и свойства графита для реакторов.. Национальная углеродная компания.
  10. ^ а б c Эзерли, У. П. (1981), «Ядерный графит - первые годы», Журнал ядерных материалов, 100: 55–63, Bibcode:1981JNuM..100 ... 55E, Дои:10.1016/0022-3115(81)90519-5
  11. ^ а б c d е ж Найтингейл, Р. Э. (1962). Ядерный графит. Отдел технической информации, Комиссия по атомной энергии США. Академическая пресса. ISBN  0125190506.
  12. ^ а б Хентшель, Клаус (ред.); Хентшель, Энн М. (переводчик) (1996), «Документ 115», Физика и национал-социализм: антология первоисточников (Английский перевод Гейзенберга 1947 г.), Birkhäuser, стр. 361–379, ISBN  978-3-0348-0202-4CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (связь)
  13. ^ а б Гейзенберг, Вернер (16 августа 1947 г.), «Исследования в Германии по техническому применению атомной энергии», Природа, 160 (4059): 211–215, Bibcode:1947Натура.160..211H, Дои:10.1038 / 160211a0, PMID  20256200
  14. ^ Ферми, Энрико (1942), «Отчет за месяц, заканчивающийся 15 декабря 1942 года, Отдел физики», Отчет Комиссии по атомной энергии США CP-387
  15. ^ Arregui Mena, J.D .; и другие. (2016). «Пространственная изменчивость механических свойств Gilsocarbon». Углерод. 110: 497–517. Дои:10.1016 / j.carbon.2016.09.051.
  16. ^ Arregui Mena, J.D .; и другие. (2018). «Характеристика пространственной изменчивости свойств материалов Gilsocarbon и NBG-18 с использованием случайных полей». Журнал ядерных материалов. 511: 91–108. Bibcode:2018JNuM..511 ... 91A. Дои:10.1016 / j.jnucmat.2018.09.008.
  17. ^ Филип Мол; Питер Робинсон; Дженни Берроуанд; Алекс Бонд (июнь 2017 г.). «Растрескивание в ядерном графите» (PDF). Математика сегодня. Получено 10 марта 2019.
  18. ^ Гарет Б. Сосед (2007). Управление старением графитовых активных зон реакторов. Королевское химическое общество. ISBN  978-0-85404-345-3. Получено 2009-06-15.
  19. ^ «Встреча RG2 с командой проекта снятия с эксплуатации сваи 1 Windscale» (PDF). Консультативный комитет по ядерной безопасности. 29 сентября 2005 г. NuSAC (2005) стр. 18. Получено 2008-11-26.
  20. ^ Marsden, B.J .; Preston, S.D .; Уикхэм, А.Дж. (8–10 сентября 1997 г.). «Оценка вопросов безопасности графита для британских производственных свай в Виндскейле]». Технология AEA. МАГАТЭ. МАГАТЭ-TECDOC — 1043. Архивировано из оригинал 12 октября 2008 г.. Получено 13 ноября 2010.
  21. ^ Пахомов, Сергей А .; Дубасов, Юрий В. (2009). «Оценка выхода энергии взрыва при аварии на Чернобыльской АЭС». Чистая и прикладная геофизика. 167 (4–5): 575. Bibcode:2010PApGe.167..575P. Дои:10.1007 / s00024-009-0029-9.
  22. ^ «Часто задаваемые вопросы по Чернобылю». Международное агентство по атомной энергии - Отдел общественной информации. Май 2005. Архивировано с оригинал 23 февраля 2011 г.. Получено 23 марта 2011.

внешняя ссылка