Experiment s leteckými reaktory - Aircraft Reactor Experiment

Experiment letadla s reaktorem během předvádění sestavy BeO moderátor bloky prokládané cirkulujícími palivovými trubkami

The Experiment s leteckými reaktory (ARE) byl experimentální nukleární reaktor určené k testování proveditelnosti reaktorů na kapalná paliva, vysokoteplotních a vysokovýkonných hustot pro pohon nadzvukové letadlo. Fungovalo mezi 8. a 12. listopadem 1954 v Národní laboratoř v Oak Ridge (ORNL) s maximální trvalou silou 2,5 megawattů (MW), a vygeneroval celkem 96 MW-hodin energie.[1]

ARE byl prvním reaktorem, který používal cirkulaci roztavená sůl palivo. Stovky inženýrů a vědců pracujících na ARE poskytli technická data, zařízení, vybavení a zkušenosti, které umožnily širší rozvoj reaktory s roztavenou solí stejně jako reaktory chlazené tekutým kovem.

Pozadí

Koncept letadla s jaderným pohonem poprvé formálně studoval v květnu 1946 US Army Air Forces.[2] Předpokládalo se, že jedinečné vlastnosti jaderné energie lze aplikovat na nadzvukový let na velké vzdálenosti, který byl považován za vysoce hodnotný z hlediska vojenské strategie. Výzvy v návrhu byly pochopeny okamžitě a do roku 1950 Komise pro atomovou energii se připojil k letectvu studovat možnosti prostřednictvím technologického rozvoje v EU Jaderný pohon letadla (ANP).

Pracovníci ORNL projektu ANP rozhodli, že technické informace a zkušenosti potřebné k podpoře cíle letu na jaderný pohon lze nejekonomičtěji získat z výstavby a provozu ARE. Úkol létat nadzvukovým letounem na jadernou energii považovali za mimořádně složitý a mysleli si, že může být zapotřebí více než jednoho experimentálního reaktoru, než budou získány dostatečné informace k návrhu a konstrukci reaktoru pro let.

Původně byl ARE koncipován jako kapalina sodík chlazený kovem Oxid berylnatý (BeO) -moderovaný reaktor na tuhá paliva. Bloky moderátorů BeO byly zakoupeny s ohledem na design na tuhá paliva. Nicméně obavy týkající se řetězová reakce stabilita související s xenon v tuhém palivu při velmi vysokých teplotách byly natolik závažné, že vyžadovaly opuštění pevného paliva a jeho nahrazení cirkulujícím kapalným palivem. Do původního návrhu byla zapracována varianta s tekutým palivem s roztavenou fluoridovou solí.[3]

Reaktor

Experimentální schéma leteckého reaktoru
Průřez experimentu s leteckými reaktory

ARE byl navržen jako prototyp leteckého reaktoru s cirkulujícím palivem o výkonu 350 megawattů, moderovaného BeO. Používal palivo složené z 53,09 mol.% NaF, 40,73 mol.% ZrF4a 6,18 mol.% UF4. Reaktorem byl válec BeO se zahnutými trubkami, které směrovaly proudící palivo jádrem v obou směrech. To bylo obklopeno Inconel skořápka.[4] Provozní životnost ARE byla 1000 hodin, s co největším časem při plné úrovni výkonu 3 megawatty. Konstrukční teplota paliva byla 1 500 ° F (820 ° C), s nárůstem teploty o 350 ° F (180 ° C) v celém jádru, i když maximální teplota dosáhla 1580 ° F (860 ° C) v ustáleném provozu a dosáhla vrcholu 1 620 882 ° C v přechodných podmínkách. Reaktorem za minutu protékalo palivo 46 US gal (170 l) při tlaku v jádru asi 2,8 baru (40 psi). Sodík byl čerpán reaktorem rychlostí 570 1 za minutu při tlaku asi 50 psi (3,4 bar).[1]

Palivová sůl přenášela teplo na a hélium smyčka, která poté přenesla teplo do vody. Navíc, reflektor a moderátor bloky byly ochlazeny kapalnou sodíkovou chladicí smyčkou, která také přenášela teplo na helium a poté na vodu.

Reaktor obsahoval jeden zdroj neutronů (15 kuriózní z polonium-berylia), jedna regulační tyč a tři heliem chlazené karbid boru podložky. Experiment byl vybaven dvěma štěpné komory, dva kompenzovány ionizační komory a 800 termočlánky.

Řídicí systém ARE by mohl automaticky scram reaktor založený na vysoké tok neutronů rychle období reaktoru, vysoká teplota paliva na výstupu z reaktoru, nízká teplota paliva ve výměníku tepla, nízký průtok paliva a ztráta výkonu mimo lokalitu.

Program rozvoje

Zkušební smyčky koroze s přirozenou konvekcí používané během projektu jaderného pohonu letadla k down-select funkčních kombinacích palivo / materiál
Aircraft Reactor Experimentujte s maketou v plném měřítku s čirými trubicemi. Slouží k protřepání procesů plnění a vypouštění při nízké teplotě
Pohled na uspořádání zařízení v experimentu s Aircraft Reactor
Palivové čerpadlo na roztavenou sůl použité v experimentu s leteckými reaktory

Komora výměníku tepla zabírala podstatně více místa než komory reaktoru a skládky.

Ambiciózní cíle a vojenský význam ANP katalyzovaly značné množství výzkumu a vývoje složitých systémů v náročných vysokoteplotníchzáření prostředí.

Studie koroze a předávání horkého sodíku začaly v roce 1950.

Vyšetřování technických a výrobních problémů spojených s manipulací s roztavenými fluoridovými solemi začalo v roce 1951 a pokračovalo až do roku 1954. Přirozená konvekce koroze byly testovány smyčky, aby se vybrala kombinace vhodných materiálů a paliv. Následné studie zkušebních smyček s nuceným oběhem zavedly prostředky k minimalizaci koroze a hromadný přenos.

Vývoj čerpadel, Tepelné výměníky, ventily, tlakové vybavení, a studené pasti trvala od konce roku 1951 do léta 1954. Velká část práce byla založena na rozsáhlých zkušenostech při nižší teplotě od Argonne National Laboratory a Laboratoř atomové energie Knolls.

Bylo nutné vyvinout techniky týkající se konstrukce, předehřevu, přístrojového vybavení a izolace spolehlivých vysokoteplotních obvodů těsných z Inconel. Zjistili, že je nutná celosvařovaná konstrukce.

Celkově vývoj zařízení na podporu vysokoteplotního těsného provozu trval asi čtyři roky.[5]

Souhrnná zpráva o nebezpečí[6] byl vydán 24. listopadu 1952.

K ověření výpočtových modelů byla sestavena nízkoteplotní kritická maketa reaktoru. BeO moderátorské bloky byly vybaveny rovnými trubkami naplněnými práškovou směsí pro simulaci paliva. Byla měřena kritická hmotnost, hodnota regulační tyče, hodnota bezpečnostní tyče, distribuce toku neutronů a koeficienty reaktivity široké škály materiálů.[7]

Stavba budovy testovacího zařízení byla zahájena 6. července 1951.[4]

Plán výstavby budovy experimentu s letadlovými reaktory

Provoz a experimenty

ARE byl úspěšně provozován. To se stalo kritickým s hmotností 32,8 lb (14,9 kg) uran-235. Bylo to velmi stabilní v důsledku jeho silného negativu teplotní koeficient paliva (měřeno při -9,8e-5 dk / k / ° F).

Sestava byla nejprve dostatečně smontována 1. srpna 1954, kdy byl zahájen třísměnný provoz pro zkoušky. Začátkem 26. září protékal systémem horký kovový sodík, aby se otestovalo procesní zařízení a vybavení. Problémy s odvětráváním sodíku a systémy čištění sodíku vyžadovaly zdlouhavé opravy. Po několika skládkách a dobíjení sodíku byla 25. října do systému zavedena nosná sůl. Palivo bylo do reaktoru poprvé přidáno 30. října 1954. Počáteční kritičnost bylo dosaženo v 15:45 3. listopadu, po pečlivém a pečlivém procesu přidávání obohacený palivo. Hodně ze čtyř dnů strávil odstraňováním zátek a opravou netěsností v obohacovací lince.

Řídicí místnost experimentu Aircraft Reactor při počáteční kritičnosti

Pravidelně byla odebírána řada vzorků paliva. Nejpozoruhodnější je, že vykazovaly nárůst chrom obsah 50 ppm / den, což naznačuje rychlou korozi palivových potrubí.

Kontrolní scéna experimentu s letadlovým reaktorem během provozu: zkoumání map během experimentů s kalibrací tyčí

V ARE byla provedena řada experimentů podporujících jeho misi.[1]

  • Kritický experiment
  • Subkritické měření teplotního koeficientu reaktoru
  • Stanovení výkonu při 1 W (nominální)
  • Kalibrace regulační tyče vs. přidání paliva
  • Vlastnosti palivového systému
  • Stanovení výkonu při 10 wattech
  • Kalibrace regulační tyče vs. doba reaktoru
  • Kalibrace podložky vs. regulační tyče
  • Vliv toku paliva na reaktivitu
  • Měření nízkého výkonu teplotního koeficientu reaktoru
  • Nastavení polohy komory
  • Přístup k výkonu: běh 10 kW
  • Zkouška systému spalin
  • Přístup k výkonu: 100 až 1 MW běží
  • Vysoce výkonné měření teplotního koeficientu paliva
  • Vysoce výkonné měření teplotního koeficientu reaktoru
  • Spuštění reaktoru na teplotním koeficientu
  • Teplotní koeficient sodíku
  • Účinek a dolar reaktivity
  • Vysoce výkonné měření teplotního koeficientu reaktoru
  • Teplotní koeficient moderátora
  • Xenon běží na plný výkon
  • Účinky toku sodíku na reaktivitu
  • Nahromadění xenonu na jednu desetinu plného výkonu
  • Provoz na maximální výkon

V 16:19 hodin 8. listopadu, během výstupu na vysoký výkon, byl reaktor odstaven z důvodu měření vysoké radioaktivity přenášené vzduchem v suterénu. Ukázalo se, že plynové armatury k hlavnímu palivovému čerpadlu prosakovaly štěpný produkt plyny a páry do boxů a jamy prosakovaly do suterénu vadnými těsněními v některých elektrických spojovacích panelech. 2 palce (5 cm) potrubí bylo vedeno z jám 1 000 stop (300 m) na jih do neobydleného údolí. Přenosný kompresory a tryska byla použita k uvedení jám na subatmosférický tlak po zbytek experimentu. Detektory bezpečnostního záření několikrát během restartu reaktor odstavily a byly vytaženy, aby byly dále od reaktoru. Nakonec se reaktor rozběhl zpět a dosáhl vysokého výkonu.

Dne 12. listopadu byl provoz reaktoru předveden pracovníkům letectva a ANP, kteří se sešli na ORNL na čtvrtletní informační schůzce. Načíst následující bylo prokázáno zapnutím a vypnutím dmychadel. Po dosažení všech provozních cílů bylo rozhodnuto o zastavení provozu. Plukovník Clyde D. Gasser byl v té době na návštěvě laboratoře a byl pozván, aby provedl ukončení experimentu. V 8:04 hodin naposledy napěchoval reaktor.

Konečné vypnutí experimentu s leteckými reaktory. V té době byl na návštěvě plukovník Gasser z letectva, který měl tu čest drbnout reaktor

Bylo zveřejněno mnoho informací o provozu reaktoru, včetně podrobných experimentálních protokolů, energetických stop a celkem 33 získaných poznatků.[1]

Vyřazení z provozu

Jímka výměníku tepla ARE během vyřazování z provozu
Experiment s letadlovým reaktorem na kamionu na cestě na pohřebiště

Mezi odstavením a vypuštěním paliva byl provozní personál povinen nosit plynové masky kvůli vysoké úrovni radioaktivity ve vzduchu, která byla způsobena únikem odplynu, který nebyl nikdy přesně umístěn.[8] 13. listopadu bylo palivo převedeno do nádrže na vykládku paliva. Stlačená nosná sůl propláchla potrubí a naředila sklápěcí nádrž. Proplachovací sůl byla zahřátá na 100 ° F (38 ° C) nad teplotu systému a čerpána palivovými kanály. Provozovatelé pozorovali termočlánky, aby zajistili, že ve všech kanálech protéká proplachovací sůl.

Po skládce paliva musel obsluhující pracovník po dobu jedné hodiny evakuovat budovu poté, co sestoupil plyn z operace čištění paliva, který byl vypuštěn ze zásobníku, a vstoupil do ventilátorů na střeše budovy. Sodíkový systém byl bez problémů vypuštěn.

Dvě ploché 1,8 m (6 stop) x 4 m (1,2 m) olověné štíty o tloušťce 2 palce (5,1 cm) byly zavěšeny v článku výměníku tepla, aby chránily pracovníky vyřazující z provozu před zářením z palivových systémů.

Nejprve byly přerušeny vodní potrubí. Poté byly sodíkové linky řezány hackovými pilami a okamžitě utěsněny několika vrstvami maskovací pásky. Sodná pumpa byla vyčištěna a oběžné kolo bylo odstraněno pro kontrolu. Když bylo odstraněno sodíkové čerpadlo a výměník tepla, radiační pole v místnosti vzrostlo na 600 mrem / hod. Zařízení chránilo oblast před radiací palivového systému.

Palivový systém byl opatrně demontován od února 1955. Hlavní mísa palivového čerpadla byla měřena rychlostí 900 mrem / h ve vzdálenosti 2 stopy. K řezání palivových potrubí poblíž plechovky reaktoru byla postavena přenosná bruska, kterou bylo možné ovládat z olověné skříně. Jakmile to bylo volné, reaktor byl přemístěn do skladu a později na pohřebiště. Palivo ve vykládací nádrži bylo připraveno k přepracování.

Bylo odebráno asi 60 vzorků zařízení a materiálu pro podrobnou analýzu a zkoumání. Metalografické, aktivace, vizuální, stereofotografický a byly provedeny zkoušky těsnosti.

Následovat

Těžká konstrukce, aby se vešla do ART v budově, kde ARE byli

Poté, co ARE fungovalo, projekt ANP pokračoval s plány na vybudování většího experimentu, 60 MW Aircraft Reactor Test (ART).[9] ART měl být NaF-ZrF4-UF4- palivo, Be-moderované, Be-zrcadlené jádro s sodíkem jako chladicí kapalinou reflektoru a NaK jako sekundární chladicí kapalinou. Jeho štít byl vyroben z olova a borité vody.

Budova 7503 v ORNL byla významně znovu vykopána v projektu rozšíření, který zahrnoval nové hluboké výkopy pro umístění ART, ale program byl zrušen před provedením nového experimentu.[10] Budova a zařízení později pokračovaly k domu Experiment reaktoru s roztavenou solí.

Reference

  1. ^ A b C d Cottrell, W.B. (06.05.1955). "Provoz experimentu s letadlovým reaktorem". Národní laboratoř Oak Ridge. (ORNL-1845). OSTI  4237975.
  2. ^ Gantz, Kenneth (1960). Jaderný let; programy letectva Spojených států pro atomové trysky, střely a rakety. New York: Duell, Sloan a Pearce. Citováno 16. února 2020.
  3. ^ Bettis, E. S.; Schroeder, R.W .; Cristy, G.A. (1957). „Experiment s leteckými reaktory - design a konstrukce“. Jaderná věda a inženýrství. 2 (6): 804–825. doi:10.13182 / NSE57-A35495.
  4. ^ A b Cottrell, redaktor, W. B. (06.02.1952). „Program reaktorů projektu jaderného pohonu letadla“ (PDF). Národní laboratoř Oak Ridge (ORNL-1234): 44. Citováno 16. února 2020.
  5. ^ Savage, H.W. (1958-09-18). "Složky okruhů kondenzované soli a sodíku experimentu s letadlovým reaktorem". Národní laboratoř Oak Ridge. (ORNL-2348). OSTI  4308571.
  6. ^ Cottrell, W.B. (1952-11-24). "SOUHRNNÁ ZPRÁVA O EXPERIMENTU REAKTORU LETADLA". Národní laboratoř Oak Ridge. (ORNL-1407). OSTI  4704625.
  7. ^ Callihan, Dixon; Scott, Dunlap (1953-10-28). „PŘEDBĚŽNÉ KRITICKÉ MONTÁŽE PRO EXPERIMENT REAKTORU LETADLA“. Národní laboratoř Oak Ridge. ORNL-1634. OSTI  4361426.
  8. ^ Cottrell, W.B. (1958-04-15). „DEMONTÁŽ A POSTOPERATIVNÍ VYŠETŘENÍ EXPERIMENTU REAKTORU LETADLA“. Národní laboratoř Oak Ridge. ORNL-1868. OSTI  4223435.
  9. ^ Fraas, A.P. (1956-12-21). „Zpráva o návrhu na zkoušku leteckého reaktoru“ (PDF). Národní laboratoř Oak Ridge. ORNL-2095. Citováno 16. února 2020.
  10. ^ Ferguson, W.F. (1958-11-21). „ZPRÁVA O UKONČENÍ VÝTVARNÉHO VÝROBKU“ (PDF). Národní laboratoř Oak Ridge. ORNL-2465. Citováno 17. února 2020.