Hablando de reactores nucleares, a menudo imaginamos un reactor de planta de energía nuclear. Su tarea es generar calor a partir del combustible nuclear, que luego se convierte en electricidad. Pero hay un número bastante grande de reactores que funcionan para otros fines. Se utilizan para la investigación, para la producción de isótopos útiles, incluidos para fines médicos, como fuente de energía para buques civiles y buques de guerra. Pero los primeros reactores nucleares potentes comenzaron a construirse en los años 40 para una tarea importante en ese momento: la producción de plutonio de grado de armas, el llenado de armas atómicas. Se llamaron industriales. Y es precisamente su historia y el estado actual de nuestro país a lo que se dedica este artículo.
Reactor industrial de uranio-grafito ADE-2Un reactor nuclear es un dispositivo en el que tiene lugar una reacción en cadena controlada de fisión de núcleos pesados (por ejemplo, uranio o plutonio). En este caso, se produce una gran cantidad de otras reacciones nucleares que se pueden utilizar para diversas tareas. Cuando a principios de la década de 1940, los físicos comenzaron a buscar los materiales fisionables más adecuados para crear una bomba nuclear, resultó que el uranio enriquecido y el elemento artificial del plutonio, que no existe en la naturaleza, son adecuados para su papel. Como resultado, se implementaron ambas opciones. Las bombas lanzadas sobre Hiroshima y Nagasaki fueron prototipos de estos dos tipos diferentes: de uranio enriquecido y de plutonio. Como resultado, el plutonio por varias razones parecía más preferible de usar. Pero para obtenerlo, es necesario construir reactores en los que el uranio se irradie con neutrones y se convierta en plutonio, y luego descargue el combustible y lo procese (este proceso llevó a la formación de una gran cantidad de desechos líquidos, como escribí en una
publicación anterior ) y se separó de él plutonio. Fue con este propósito que comenzaron a construir reactores industriales en los Estados Unidos, y luego en la URSS, y junto a ellos plantas completas para el procesamiento de combustible nuclear y la separación de plutonio.
El primer reactor industrial del mundo se construyó en los Estados Unidos como parte del Proyecto Manhattan. Era el reactor "B", se lanzó en septiembre de 1944 en la planta de Hanfor, donde se construyeron un total de 9 reactores industriales. Como resultado, esto permitió a los estadounidenses realizar la primera prueba de explosión de una bomba de plutonio nuclear el 16 de julio de 1945 (prueba de la Trinidad) en un campo de entrenamiento en Nuevo México, y luego una explosión militar el 9 de agosto de 1945 en Nagasaki. En Hiroshima, una bomba de uranio fue detonada sin una explosión de prueba.
En la URSS, por analogía con el Handford Combine, el Mayak Combine (anteriormente Planta No. 817) se construyó en Ozersk (anteriormente Chelyabinsk-40) en la Región de Chelyabinsk. Allí, el primer reactor industrial "A" se lanzó en 1948. Fue él quien dio plutonio para la primera bomba nuclear soviética, cuya prueba tuvo lugar el 29 de agosto de 1949.
Los diseños de los primeros reactores industriales que producen plutonio fueron más o menos similares. Estos son reactores de neutrones térmicos de canal con un moderador de grafito y enfriamiento por agua de una sola vez. El núcleo del reactor en sí (el espacio donde tiene lugar la reacción en cadena) se recogió del grafito, que actuó como moderador de neutrones. La desaceleración de los neutrones en el grafito hizo posible el uso de uranio natural no enriquecido como combustible. Esto simplificó enormemente y aceleró la producción de plutonio. En la mampostería de grafito del reactor, se perforaron canales en los que se cargó el combustible en forma de cilindros de bloque de metal de uranio. Se suministró agua a través de estos canales para enfriamiento, como La fisión de uranio generó mucho calor. Los bloques con combustible se cargaron en un lado del canal, se irradiaron en el reactor, se formó plutonio en ellos (un pequeño porcentaje del uranio cargado), y después de un tiempo se descargaron en el otro lado del canal y se procedieron a reprocesar, disolviendo y liberando plutonio por métodos químicos. Los reactores de este diseño y propósito en la URSS se llamaron PUGR: reactores industriales de uranio y grafito.
La principal y sorprendente diferencia entre los PUGR en los EE. UU. Y la URSS fue que los estadounidenses tenían canales horizontales y los nuestros eran verticales. A pesar del hecho de que, en muchos aspectos, nos pusimos al día con los estadounidenses y seguimos su tiempo de ahorro, esta opción les pareció a los desarrolladores soviéticos más rentables debido a la solución de una serie de problemas con la irregularidad del flujo de calor.
El primer reactor industrial B del mundo en Hanford, EE. UU. Puede ver el panel frontal con canales horizontales donde se cargó combustible nuevo. Fuente
Esquema de mampostería de grafito en la zona activa del PUGR soviético. El tamaño del cilindro es de aproximadamente 9 m de diámetro y la misma altura.Por lo tanto, el reactor actuó como un transportador para la irradiación y la formación de plutonio a partir del uranio natural: era una forma muy simple pero efectiva de producir explosivos para bombas. Es cierto que en este caso, el reactor tuvo que enfriarse con agua, que debe llevarse a algún lado y luego (a menudo ya contaminado con radionucleidos del combustible) drenarse, y cuando el plutonio se separó en plantas radioquímicas, se generó una gran cantidad de desechos radiactivos líquidos. Pero el tiempo fue tal que la tarea principal se resolvió en primer lugar: la creación de armas. Por desgracia, los problemas con los desechos se pospusieron hasta más tarde y sentaron las bases para muchas consecuencias ambientales, ahora llamadas el legado nuclear.
Se construyeron tres plantas en la URSS para la producción de plutonio apto para armas: PA Mayak (Ozersk, región de Chelyabinsk), SCC (Seversk, región de Tomsk) y la planta química estatal (Zheleznogorsk, territorio de Krasnoyarsk). En total, se pusieron en funcionamiento 13 PUGR desde 1948 hasta 1965.
Los primeros reactores en PO MayakEl primer sitio industrial más grande del complejo nuclear de la URSS es la Mayak Production Association (Mayak Production Association, anteriormente Plant No. 817, Magpie), ubicada en Ozersk (anteriormente Chelyabinsk-40) en la región de Chelyabinsk, y ha estado operando desde 1948. El 8 de junio de 1948, se lanzó el primer reactor industrial de uranio y grafito A (Annushka) en el país en FSUE Mayak PA.
En agosto de 1946, el proyecto fue aprobado y comenzó la construcción del reactor. Con una mecanización mínima, en las condiciones de un
duro invierno de los Urales, en la primavera de 1947, el trabajo más duro del suelo se llevó a cabo en el sitio de construcción de la planta: se cavó un pozo de excavación de 80 por 80 metros y una profundidad de 53 m. En total, se excavaron 157 mil metros cúbicos de suelo. En la etapa final de la excavación del suelo rocoso, se emplearon 11 mil excavadoras.
La construcción del primer reactor "A". FuenteEl núcleo cilíndrico del reactor tenía 9,2 m de diámetro y 9,2 m de altura.Las columnas de grafito estaban formadas por bloques de 600 mm de altura con una sección cuadrada de 200x200 mm y una abertura central con un diámetro de 44 mm. La mampostería de grafito fue perforada verticalmente por 1200 tuberías de aluminio de paredes delgadas con un espesor de pared de 1 mm, a través de las cuales fluía agua y en el que se ubicaron bloques de uranio (diámetro 35 mm, altura 100 mm) con una carcasa de aleación de aluminio. Cada canal cargó 74 bloques. En la parte inferior de las tuberías descansaban contra un dispositivo de descarga que, si fuera necesario, podría emitir un bloque desde cualquier tubería vertical. Bajo su propio peso, los bloques cayeron al agua y cayeron en el eje de sobrecarga. Luego ingresaron a la galería de transporte, donde fueron almacenados bajo una capa de agua durante 2 meses, después de lo cual fueron a procesar.
Reactor Hall A en la Mayak Production Association. ( Fuente )El 8 de junio de 1948, Kurchatov lanzó personalmente el reactor físicamente con una carga de aproximadamente 75 toneladas de uranio. Y poco menos de un año después, el 29 de agosto de 1949, se probó la primera bomba atómica de la URSS a partir del plutonio obtenido en el reactor en el sitio de prueba de Semipalatinsk. Según el proyecto, se suponía que el primer reactor industrial "A" funcionaría durante 3 años, pero funcionó durante 39 años, hasta 1987. Lea más sobre el reactor "A"
aquí .
En total, a lo largo de los años que ha existido la empresa, diez reactores industriales han estado funcionando en la Asociación de Producción de Mayak, dos de los cuales están actualmente en funcionamiento. Entre ellos, 5 reactores industriales de uranio y grafito: A, AI, AV-1, AV-2 y AV-3, se pusieron en servicio desde 1948 hasta 1952. Su vida útil inicial fue corta, pero trabajaron durante más de 30 años, modernizándose durante reparaciones mayores. Fueron detenidos en el período de 1987 a 1990, y desde entonces se ha trabajado en ellos para su desmantelamiento.
Presión arterial subterránea en la Minería y Combinación Química.Planta minera y química, la tercera planta de producción de plutonio en la URSS, una empresa única ubicada bajo tierra en una masa rocosa. En el sitio de FSUE "MCC" en Zheleznogorsk, cerca de Krasnoyarsk, hay tres PUGR: AD, ADE-1 y ADE-2. Junto con el equipo auxiliar y las comunicaciones, se ubican en los trabajos mineros rocosos, en minas revestidas de concreto monolítico. Según el proyecto, se suponía que los reactores estaban ubicados en suelo rocoso a una profundidad de aproximadamente 200 m en trabajos transversales de 8-18 m de ancho, 60-80 m de largo y 5-30 m de altura.
Tren eléctrico al molino subterráneo de la Combinación de Minería y Química. FuentePUGR AD era un reactor de flujo de un solo propósito con neutrones térmicos. Trabajó desde 1958 hasta 1992. Este reactor no solo tenía el doble de productividad de plutonio que sus predecesores, sino que su diseño y potencia específica permitieron elevar la temperatura del agua de enfriamiento en la salida al estado del fluido de trabajo de la turbina. De hecho, fue un proyecto de reactor de potencia.
Apagado del reactor ADE-2 en el CCM el 15 de abril de 2010 (
Fuente )
ADE-1 se diseñó como un reactor de energía, pero funcionó como un reactor de flujo de propósito único desde el 20 de julio de 1961. Detenido por desmantelamiento el 29 de septiembre de 1992. ADE-2 ha estado funcionando en modo de doble propósito desde 1964 (plutonio + electricidad), y fue detenido por desmantelamiento el 15 de abril de 2010.
La primera planta de energía nuclear en la planta química de Siberia.En el período de 1953 a 1964, en los sitios de la Planta Química de Siberia en la ciudad de Seversk (Tomsk Oblast), se construyeron y pusieron en funcionamiento los PUGR I-1, EI-2, ADE-3, ADE-4, ADE-5. El reactor I-1 estaba destinado exclusivamente a la producción de plutonio de calidad para armas, los reactores restantes combinaban las funciones de producción de plutonio y generación de electricidad. Por primera vez en el mundo, el reactor EI-2 combinó estas funciones. Con la puesta en marcha de este reactor en 1958, se lanzó la primera etapa de la central nuclear de Siberia con una capacidad de 100 MW, que se convirtió en la segunda estación nuclear en la URSS después de Obninsk, encargada 4 años antes. Los reactores de la serie ADE, a medida que se pusieron en funcionamiento, aumentaron gradualmente la capacidad de la central nuclear de Siberia. Con el lanzamiento de ADE-5, la capacidad de la estación fue de 600 MW.
La central nuclear de Siberia en SCC es la primera gran central nuclear de la URSS y la única central nuclear de Siberia.Sobre la base de los reactores ADE-4 y ADE-5, se diseñó e implementó un sistema de suministro de calor distante. La ciudad de Tomsk recibió energía térmica barata debido al uso de calor de los reactores ADE-4 y ADE-5. Los reactores proporcionaron 30–35% del calor requerido para calentar la urbanización de Tomsk, y más del 50% para la ciudad de Seversk y los sitios industriales de la planta. En 2008, se cerraron los últimos reactores nucleares industriales en Seversk.
El legado de los reactores industriales.La experiencia de trabajar con reactores de uranio y grafito en la URSS no solo proporcionó al país material en exceso para armas nucleares, que todavía se utiliza incluso como combustible para centrales nucleares convencionales, sino que también abrió el camino a la energía nuclear pacífica. El reactor de la primera central nuclear del mundo en Obninsk, inaugurado en 1954, la central nuclear siberiana, las dos primeras unidades de la central nuclear de Beloyarsk, todas las unidades de la central nuclear de Bilibino y una serie de potentes reactores RBMK-1000 se desarrollaron sobre la base de la experiencia en la construcción y operación de reactores de uranio-grafito de canal. Pero además de ganar experiencia, desarrollar direcciones de energía, los PUGR se han convertido en fuente de muchos problemas ambientales. Las averías frecuentes, la despresurización de las barras de combustible y la falla condujeron a la liberación de radionucleidos al medio ambiente con agua de enfriamiento en los ríos Yenisei y Tom. La redistribución radioquímica del combustible durante el aislamiento de un producto valioso, el plutonio, condujo a la formación de la mayor parte del legado nuclear de la URSS: depósitos de almacenamiento de desechos radiactivos líquidos en forma de cascada Techen de depósitos, lagos Karachay y Staroe Bolot en Mayak PA, estratos subterráneos de almacenamiento en SCC y MCC.
Los reactores RBMK-1000 que operan en las centrales nucleares de Leningrado, Smolensk y Kursk son el desarrollo conceptual de los productores industriales de uranio y grafito y plutonio. Solo el plutonio ya no se extraía de su combustible.
DesmantelamientoEn 1991, Estados Unidos y Rusia firmaron un acuerdo sobre el cierre final de los reactores de plutonio de grado de armas. Hasta la fecha, todos los PUGR en Rusia se han detenido y se encuentran en alguna etapa de desmantelamiento.
Como parte del programa de objetivos federales del Programa de objetivos federales YaRB-1 (2008-2015), se llevó a cabo la preparación y se realizó la primera y única operación para desarmar y preservar el PUGR en el sitio. En 2010, sobre la base del SCC, se formó el "Centro de demostración experimental para el desmantelamiento de reactores nucleares de uranio y grafito" (UDC UGR). En septiembre de 2015, UDC UGR completó la operación de desmantelamiento final del reactor EI-2. Ahora es esencialmente una colina. Se utilizaron más de 100 mil m3 de materiales aislantes basados en arcillas locales. El resultado del trabajo: se eliminaron los materiales nucleares, se liquidaron la parte de tierra y las instalaciones de almacenamiento ajenas al proyecto. La mampostería de grafito es de polilla.
Vista esquemática del reactor EI-2 en SCC antes (izquierda) y después (derecha) conservación final.El desmantelamiento y la conservación del PUGR "en el sitio" se considera actualmente el concepto más óptimo, lo que permite reducir las cargas de personal durante el proceso de desmantelamiento, evitando el movimiento de una gran cantidad de materiales radiactivos y la creación de instalaciones de almacenamiento adicionales para desechos radiactivos. Sin embargo, no todos los reactores pueden ser enterrados de esta manera. En el marco del programa objetivo federal
"Garantizar la seguridad nuclear y radiológica para 2016 - 2020 y para el período hasta 2030", se planea retirar adicionalmente y finalmente conservar 8 de 13 PUGR, así como resolver problemas relacionados con la eliminación de grafito irradiado.
Una placa conmemorativa en el fondo del césped en el sitio de desmantelamiento del reactor EI-2 en el SCC. ( Fuente )Actualmente, los reactores de la Mayak Production Association se están preparando para el desmantelamiento "in situ" a partir de la experiencia de SCC. En 2018, se llevaron
a cabo
debates públicos sobre el proyecto de desmantelamiento de cinco reactores industriales de uranio y grafito de la planta. Como parte del próximo proceso de desmantelamiento, cada reactor se descontaminará (si es necesario), se desmantelarán los equipos y sistemas ubicados en el edificio del reactor y en el sitio. Luego, las cavidades internas del reactor, el eje del reactor y los volúmenes de construcción de las instalaciones del edificio del reactor se llenarán con sorbentes y materiales impermeabilizantes a cero, es decir. a la superficie de la tierra. Después de eso, se creará una barrera adicional en forma de una placa protectora hermética superior sobre el eje del reactor.
En lugar de conclusionesLos reactores industriales de uranio y grafito que proporcionaron a la URSS el plutonio necesario para las armas nucleares sentaron las bases para el uso pacífico de la energía atómica en las centrales nucleares de primera generación y para lanzar una serie a gran escala de centrales nucleares con reactores RBMK, que todavía representan casi la mitad de toda la electricidad atómica en Rusia. Del mismo modo, después del final de su trabajo, los PUGR se convertirán en un campo de pruebas para el desarrollo de tecnologías de gestión de grafito irradiado necesarias para el desmantelamiento de centrales nucleares con reactores de uranio-grafito.
PD: Dio la casualidad de que el otro día, en una de las instalaciones nucleares en la región de Sverdlovsk (escribiré una publicación separada al respecto), conocí a especialistas de SpetsAtomService, que pronto trabajarán en el desmantelamiento de otro PUGR en SCC. A veces ocurren divertidas coincidencias.
Fuentes:
1.
Crónica de Rosatom. Historia de los reactores.2.
Problemas del legado nuclear y formas de resolverlos. Tomo 13.
Experiencia en desmantelamiento de PUGR HELL por el método de "entierro in situ"4.
Se planea enterrar en el sitio cinco reactores que producen plutonio de grado de armas en Mayak PA.5.
Soluciones técnicas, tecnologías y experiencia de JSC "UDC UGR" en desmantelamiento de centrales nucleares