مفاعلات جرافيت اليورانيوم الصناعية لإنتاج البلوتونيوم

عند الحديث عن المفاعلات النووية ، فإننا نتخيل في أغلب الأحيان مفاعلًا لمحطة الطاقة النووية. وتتمثل مهمتها في توليد الحرارة من الوقود النووي ، الذي يتم تحويله بعد ذلك إلى كهرباء. ولكن هناك عدد كبير إلى حد ما من المفاعلات تعمل لأغراض أخرى. وهي تستخدم للبحث ، لإنتاج النظائر المفيدة ، بما في ذلك للأغراض الطبية ، كمصدر للطاقة للسفن والسفن الحربية المدنية. ولكن بدأ بناء المفاعلات النووية القوية الأولى في الأربعينيات من القرن الماضي للقيام بمهمة واحدة مهمة في ذلك الوقت - إنتاج البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة ، وملء الأسلحة النووية. كانت تسمى الصناعية. وهذا هو بالضبط تاريخهم والحالة الراهنة لبلدنا التي كرست هذه المقالة ل.


مفاعل الجرافيت الصناعي من اليورانيوم ADE-2

المفاعل النووي هو عبارة عن جهاز يحدث فيه تفاعل تسلسلي متحكم فيه لانشطار النوى الثقيلة (مثل اليورانيوم أو البلوتونيوم). في هذه الحالة ، يحدث عدد كبير من ردود الفعل النووية الأخرى التي يمكن استخدامها لمختلف المهام. عندما بدأ علماء الفيزياء في أوائل الأربعينيات من القرن الماضي في البحث عن المواد الانشطارية الأكثر ملاءمة لإنتاج قنبلة نووية ، اتضح أن اليورانيوم المخصب والعنصر الاصطناعي للبلوتونيوم ، الذي لا وجود له في الطبيعة ، مناسب لدوره. نتيجة لذلك ، تم تنفيذ كلا الخيارين. كانت القنابل التي أُلقيت على هيروشيما وناجازاكي نموذجين لهذين النوعين المختلفين - من اليورانيوم المخصب ومن البلوتونيوم. ونتيجة لذلك ، بدا البلوتونيوم لعدة أسباب أكثر استخدامًا. ولكن من أجل الحصول عليها ، من الضروري بناء مفاعلات يتم فيها تسخين اليورانيوم بالنيوترونات وتحويلها إلى بلوتونيوم ، ثم تفريغ الوقود ومعالجته (أدت هذه العملية في ذلك الوقت إلى تكوين كمية كبيرة من النفايات السائلة ، كما كتبت في منشور سابق ) وفصلها عن له البلوتونيوم. وكان لهذا الغرض أن بدأوا في بناء مفاعلات صناعية في الولايات المتحدة ، ثم في الاتحاد السوفياتي ، وبجوارهم مصانع كاملة لتجهيز الوقود النووي وفصل البلوتونيوم.

تم بناء أول مفاعل صناعي في العالم في الولايات المتحدة كجزء من مشروع مانهاتن. كان المفاعل "ب" ؛ تم إطلاقه في سبتمبر 1944 في مصنع هانفور ، حيث تم بناء ما مجموعه 9 مفاعلات صناعية. ونتيجة لذلك ، سمح ذلك للأميركيين بتنفيذ أول اختبار لقنبلة بلوتونيوم نووية يوم 16 يوليو 1945 (اختبار الثالوث) في ملعب تدريب في نيو مكسيكو ، ثم انفجار عسكري في 9 أغسطس 1945 في ناغازاكي. في هيروشيما ، تم تفجير قنبلة يورانيوم دون انفجار تجريبي.

في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، تم قياس ماياك (المعروف سابقًا باسم المصنع رقم 817) في أوزرسك (المعروف سابقًا باسم تشيليابينسك -40) في منطقة تشيليابينسك. هناك ، تم إطلاق أول مفاعل صناعي "A" في عام 1948. كان هو الذي أعطى البلوتونيوم لأول قنبلة نووية سوفيتية ، والتي أجريت تجربتها في 29 أغسطس 1949.

كانت تصاميم المفاعلات الصناعية الأولى المنتجة للبلوتونيوم متشابهة تقريبًا. هذه هي مفاعلات النيوترون الحرارية بقناة مع وسيط الجرافيت وتبريد الماء مرة واحدة. تم جمع قلب المفاعل نفسه (الفضاء الذي يحدث فيه تفاعل السلسلة) من الجرافيت ، والذي كان بمثابة وسيط النيوترون. جعل تباطؤ النيوترونات في الجرافيت من الممكن استخدام اليورانيوم الطبيعي غير المخصب كوقود. هذا تبسيط كبير وتسريع إنتاج البلوتونيوم. في مبنى الجرافيت في المفاعل ، تم حفر القنوات التي تم تحميل الوقود فيها في شكل اسطوانات كتلة اليورانيوم المعدنية. تم توفير المياه من خلال هذه القنوات للتبريد ، كما يولد انشطار اليورانيوم الكثير من الحرارة. تم تحميل الكتل التي تحتوي على الوقود على جانب واحد من القناة ، وتم تشعيعها في المفاعل ، وتم تشكيل البلوتونيوم فيها (نسبة مئوية قليلة من اليورانيوم المحمل) ، وبعد فترة من الوقت تم تفريغها على الجانب الآخر من القناة وذهب لإعادة المعالجة - إذابة البلوتونيوم وإطلاقه بطرق كيميائية. كانت تسمى مفاعلات هذا التصميم والغرض في الاتحاد السوفياتي PUGRs - مفاعلات الجرافيت الصناعي لليورانيوم.

كان الاختلاف الرئيسي والمذهل بين PUGRs في الولايات المتحدة الأمريكية والاتحاد السوفيتي هو أن الأميركيين كان لديهم قنوات أفقية ، وأن لدينا قنوات عمودية. على الرغم من حقيقة أننا كنا نلحق بأمريكا بطرق عديدة ، وبعد وقت توفير الوقت ، بدا هذا الخيار للمطورين السوفييت أكثر ربحية بسبب حل عدد من المشاكل مع عدم توازن تدفق الحرارة.


أول مفاعل B الصناعي في العالم في هانفورد ، الولايات المتحدة الأمريكية. يمكنك رؤية اللوحة الأمامية مع قنوات أفقية حيث تم تحميل الوقود الطازج. مصدر


مخطط البناء الجرافيت في المنطقة النشطة من PUGR السوفياتي. يبلغ حجم الأسطوانة حوالي 9 أمتار وقطرها في الارتفاع.

وهكذا ، كان المفاعل بمثابة ناقل للإشعاع وتشكيل البلوتونيوم من اليورانيوم الطبيعي - لقد كانت طريقة بسيطة للغاية ولكنها فعالة لإنتاج متفجرات للقنابل. صحيح ، في هذه الحالة ، كان لابد من تبريد المفاعل بالماء ، والذي يجب أخذه في مكان ما وبعد ذلك (في كثير من الأحيان ملوث بالفعل بالنويدات المشعة من الوقود) ، وعندما يتم فصل البلوتونيوم في مصانع كيميائية إشعاعية ، تم توليد كمية كبيرة من النفايات المشعة السائلة. ولكن كان الوقت قد حان بحيث تم حل المهمة الرئيسية أولا وقبل كل شيء - صنع الأسلحة. للأسف ، تم تأجيل مشاكل النفايات حتى وقت لاحق ووضع الأساس للعديد من العواقب البيئية ، التي تسمى الآن الإرث النووي.
تم بناء ثلاثة مصانع في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية لإنتاج البلوتونيوم المستخدم في صناعة الأسلحة - PA Mayak (Ozersk، Chelyabinsk Region)، SCC (Seversk، Tomsk Region) و State Chemical Plant (Zheleznogorsk، Krasnoyarsk). في المجموع ، تم تشغيل 13 PUGRs من 1948 إلى 1965 عليها.

المفاعلات الأولى في PO Mayak

يعتبر موقع Mayak Production Association (Mayak Production Association ، المصنع سابقًا رقم 817 ، والأربعين) ، الواقع في Ozersk (المعروف سابقًا باسم Chelyabinsk-40) في منطقة Chelyabinsk ، أول موقع صناعي في المجمع النووي للاتحاد السوفياتي وأكبر موقع صناعي له. في 8 يونيو 1948 ، تم إطلاق أول مفاعل صناعي يورانيوم من الجرافيت A (Annushka) في البلاد في FSUE Mayak PA.

في أغسطس 1946 ، تمت الموافقة على المشروع وبدأ بناء المفاعل. مع الحد الأدنى من الميكنة ، في ظروف فصل الشتاء القاسي في الأورال ، بحلول ربيع عام 1947 ، تم تنفيذ أصعب عمل للتربة في موقع بناء المصنع - تم حفر حفرة حفر 80 في 80 متر وعمق 53 متر. تم حفر 157000 متر مكعب من التربة. في المرحلة الأخيرة من التنقيب عن التربة الصخرية ، تم توظيف 11 ألف حفار.


بناء المفاعل الأول "أ". مصدر.

كان اللب الاسطواني للمفاعل 9.2 متر وقطر 9.2 متر ، تتكون أعمدة الجرافيت من كتل 600 ملم مع مقطع عرضي من 200x200 ملم وثقب مركزي بقطر 44 ملم. تم ثقب البناء الجرافيتي عموديًا بواسطة 1200 من أنابيب الألمنيوم رقيقة الجدران بسماكة الجدار التي تبلغ 1 مم ، والتي يتم من خلالها تدفق المياه والتي توجد بها كتل اليورانيوم (قطرها 35 مم ، ارتفاع 100 مم) مع غلاف سبائك الألومنيوم. كل قناة تحميل 74 كتل. في الجزء السفلي من الأنابيب استراحوا ضد جهاز التفريغ ، والذي ، إذا لزم الأمر ، يمكن أن يصدر كتلة واحدة من أي أنبوب عمودي. تحت وزنهم ، سقطت الكتل في الماء وسقطت في عمود الحمل الزائد. ثم دخلوا إلى معرض النقل ، حيث تم تخزينهم تحت طبقة من الماء لمدة شهرين ، وبعد ذلك ذهبوا للمعالجة.


قاعة المفاعل أ في رابطة إنتاج ماياك. ( المصدر )

في 8 يونيو 1948 ، أطلق كورشاتوف شخصيًا المفاعل فعليًا بتكلفة حوالي 75 طنًا من اليورانيوم. وبعد أقل من عام بقليل ، في 29 أغسطس 1949 ، تم اختبار أول قنبلة ذرية للاتحاد السوفيتي من البلوتونيوم التي تم الحصول عليها في المفاعل في موقع اختبار سيميبالاتينسك. وفقًا للمشروع ، كان من المفترض أن يعمل أول مفاعل صناعي "A" لمدة 3 سنوات ، لكنه يعمل لمدة 39 عامًا - حتى عام 1987. اقرأ المزيد عن المفاعل "أ" هنا .

في المجمل ، على مر السنين ، كانت المؤسسة موجودة ، تعمل عشرة مفاعلات صناعية في جمعية إنتاج ماياك ، اثنان منها يعملان حاليًا. من بينها ، تم تشغيل 5 مفاعلات من الجرافيت الصناعي لليورانيوم - A و AI و AV-1 و AV-2 و AV-3 - من 1948 إلى 1952. كان عمرهم الأولي قصيرًا ، لكنهم عملوا لأكثر من 30 عامًا ، وتحديثهم خلال عمليات الإصلاح الكبرى. تم إيقافهم في الفترة من 1987 إلى 1990 ، ومنذ ذلك الحين كان العمل جارًا عليهم للتوقف عن العمل.

ضغط الدم تحت الأرض في التعدين والجمع الكيميائي.

مصنع التعدين والكيماويات ، وهو ثالث مصنع لإنتاج البلوتونيوم في الاتحاد السوفياتي ، وهو مشروع فريد من نوعه يقع تحت الأرض في كتلة صخرية. يوجد في موقع FSUE "MCC" في Zheleznogorsk بالقرب من Krasnoyarsk ثلاثة PUGRs - AD و ADE-1 و ADE-2. جنبا إلى جنب مع المعدات والاتصالات المساعدة ، فهي تقع في أعمال المناجم الصخرية - في مناجم تصطف بالخرسانة متجانسة. وفقًا للمشروع ، كان من المفترض أن تكون المفاعلات موجودة في التربة الصخرية على عمق حوالي 200 متر في الأعمال العرضية بعرض 8-18 مترًا ، وطولها 60-80 مترًا وارتفاعها من 5 إلى 30 مترًا.


قطار كهربائي إلى مصنع تحت الأرض للجمع بين التعدين والكيماويات. مصدر .

كان PUGR AD مفاعل تدفق أحادي الغرض مع نيوترونات حرارية. كان يعمل من 1958 إلى 1992. لم يقتصر الأمر على أن هذا المفاعل لديه ضعف كمية البلوتونيوم التي سبقها ، كما أن تصميمه وقدرته الخاصة جعلا من الممكن رفع درجة حرارة ماء التبريد عند مخرج إلى حالة سائل التوربينات العاملة. في الواقع ، كان مشروع مفاعل الطاقة.


إيقاف تشغيل مفاعل ADE-2 في مركز عملائي في 15 أبريل 2010 ( المصدر )

تم تصميم ADE-1 كمفاعل للطاقة ، ولكن تم تشغيله كمفاعل تدفق وحيد الغرض من 20 يوليو 1961. توقفت عن العمل في 29 سبتمبر 1992. يعمل ADE-2 في وضع ثنائي الغرض منذ عام 1964 (البلوتونيوم + الكهرباء) ، وتم إيقاف تشغيله في 15 أبريل 2010.

أول محطة للطاقة النووية في محطة سيبيريا الكيميائية

في الفترة من 1953 إلى 1964 ، في مواقع مصنع سيبيريا للكيماويات في مدينة Seversk (منطقة تومسك) ، I-1 ، EI-2 ، ADE-3 ، ADE-4 ، ADE-5 ، تم بناء PUGRs وتشغيلها. كان المفاعل I-1 مخصصًا لإنتاج البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة فقط ، حيث تم دمج المفاعلات المتبقية بين وظائف إنتاج البلوتونيوم وتوليد الكهرباء. لأول مرة في العالم ، يجمع مفاعل EI-2 بين هذه الوظائف. مع تشغيل هذا المفاعل في عام 1958 ، تم إطلاق المرحلة الأولى من NPP السيبيرية بسعة 100 ميجاوات ، والتي أصبحت المحطة النووية الثانية في الاتحاد السوفياتي بعد Obninsk ، بتكليف قبل 4 سنوات. زادت مفاعلات سلسلة ADE ، عند تشغيلها ، تدريجياً من قدرة NPP السيبيرية. مع إطلاق ADE-5 ، كانت قدرة المحطة 600 ميجاوات.


سيبيريا NPP في SCC هي أول محطة طاقة نووية كبيرة في الاتحاد السوفياتي ومحطة الطاقة النووية الوحيدة في سيبيريا.

على أساس المفاعلين ADE-4 و ADE-5 ، تم تصميم وتنفيذ نظام إمداد حراري بعيد. تم تزويد مدينة تومسك بالطاقة الحرارية الرخيصة نظرًا لاستخدام الحرارة من المفاعلين ADE-4 و ADE-5. وفرت المفاعلات ما بين 30 إلى 35 ٪ من الحرارة اللازمة لتسخين العقارات السكنية في تومسك ، وأكثر من 50 ٪ لمدينة Seversk والمواقع الصناعية للمصنع. في عام 2008 ، تم إغلاق آخر مفاعلات نووية صناعية في Seversk.

تراث المفاعلات الصناعية

إن تجربة العمل مع مفاعلات الجرافيت في اليورانيوم في الاتحاد السوفيتي لم توفر فقط للبلاد مواد نووية فائضة ، والتي لا تزال تستخدم حتى كوقود لمحطات الطاقة النووية التقليدية ، ولكن أيضًا فتحت الطريق أمام الطاقة النووية السلمية. تم تطوير مفاعل أول محطة للطاقة النووية في العالم في أوبنينسك ، في عام 1954 ، ومحطة الطاقة النووية في سيبيريا ، أول وحدتين للطاقة في محطة بيلويارسك للطاقة النووية ، وجميع وحدات محطة بيليبينو للطاقة النووية وسلسلة من مفاعلات RBMK-1000 القوية تم تطويرها على أساس الخبرة في بناء وتشغيل مفاعلات اليورانيوم قناة الجرافيت. ولكن بالإضافة إلى اكتساب الخبرة وتطوير اتجاهات الطاقة ، أصبحت PUGRs مصادر للعديد من المشكلات البيئية. أدت الأعطال المتكررة ، وإزالة الضغط من قضبان الوقود ، والفشل إلى إطلاق النويدات المشعة في البيئة مع مياه التبريد في نهري ينيسي وتوم. أدت إعادة التوزيع الكيميائي الإشعاعي للوقود أثناء عزل منتج ثمين ، البلوتونيوم ، إلى تكوين الجزء الأكبر من الإرث النووي للاتحاد السوفيتي - خزانات تخزين النفايات المشعة السائلة في شكل سلسلة Techen من الخزانات ، وبحيرات Karachay و Staroe Bolot في Mayak PA ، تحت طبقات التخزين تحت الأرض في SCC و MCC.


تعد مفاعلات RBMK-1000 العاملة في Leningrad و Smolensk و Kursk NPPs بمثابة تطور مفاهيمي لمنتجي بلوتونيوم اليورانيوم الصناعي. لم يعد يتم استخراج البلوتونيوم من الوقود.

إزالة من الخدمة

في عام 1991 ، وقعت الولايات المتحدة وروسيا اتفاقًا بشأن الإغلاق النهائي لمفاعلات البلوتونيوم التي تصنع الأسلحة. حتى الآن ، تم إيقاف جميع PUGRs في روسيا وهي في مرحلة ما من وقف التشغيل.

كجزء من البرنامج الفيدرالي المستهدف للبرنامج الفدرالي المستهدف YaRB-1 (2008-2015) ، تم الإعداد وتم تنفيذ العملية الأولى والفريدة لتفكيك PUGR والحفاظ عليه في الموقع. في عام 2010 ، على أساس SCC ، تم تشكيل "مركز مظاهرة تجريبية لإيقاف تشغيل المفاعلات النووية لليورانيوم الجرافيت" (UDC UGR). في سبتمبر 2015 ، أكملت UDC UGR العملية على وقف التشغيل النهائي لمفاعل EI-2. الآن هو في الأساس تل. تم استخدام أكثر من 100 ألف متر مكعب من المواد العازلة على أساس الطين المحلي. نتيجة العمل: تمت إزالة المواد النووية ، وتمت تصفية الجزء الأرضي ومرافق تخزين غير المشروع. الجرافيت البناء هو mothballed.


عرض تخطيطي لمفاعل EI-2 في SCC قبل (يسار) وبعد الحفظ النهائي (يمين).

يعتبر إيقاف تشغيل PUGR "على الفور" وإيقاف تشغيله حاليًا المفهوم الأمثل ، والذي يسمح بتقليل أحمال الموظفين أثناء عملية إيقاف التشغيل ، وتجنب حركة كمية كبيرة من المواد المشعة وإنشاء مرافق تخزين إضافية للنفايات المشعة. ومع ذلك ، لا يمكن دفن جميع المفاعلات بهذه الطريقة. ضمن إطار البرنامج الفيدرالي المستهدف "ضمان السلامة النووية والإشعاعية للفترة 2016-2020 وللفترة حتى عام 2030" ، من المخطط أن يتم السحب الإضافي والحفاظ على 8 من أصل 13 PUGRs ، بالإضافة إلى حل المشكلات المتعلقة بالتخلص من الجرافيت المشع.


لوحة تذكارية على خلفية الحشيش في موقع وقف تشغيل مفاعل EI-2 في SCC. ( المصدر )

حاليًا ، تستعد المفاعلات في جمعية إنتاج ماياك لإيقاف التشغيل "في الموقع" من تجربة SCC. في عام 2018 ، عقدت مناقشات عامة حول مشروع وقف تشغيل خمسة مفاعلات صناعية لليورانيوم - الجرافيت في المصنع. كجزء من عملية وقف التشغيل القادمة ، سيتم تطهير كل مفاعل (إذا لزم الأمر) ، وتفكيك المعدات والأنظمة الموجودة في بناء المفاعل وفي الموقع. بعد ذلك ، سيتم ملء التجاويف الداخلية للمفاعل ، ورمح المفاعل ، وأحجام بناء مبنى المفاعل بمواد امتصاص وعزل للماء إلى الصفر ، أي إلى سطح الأرض. بعد ذلك ، سيتم إنشاء حاجز إضافي في شكل لوحة واقية محكمة الإغلاق أعلى عمود المفاعل.

بدلا من الاستنتاجات

وضعت المفاعلات الصناعية لليورانيوم الغرافيتي التي زودت الاتحاد السوفياتي بالبلوتونيوم اللازم للأسلحة النووية الأساس للاستخدام السلمي للطاقة الذرية في الجيل الأول من محطات الطاقة النووية ولإطلاق سلسلة واسعة النطاق من محطات الطاقة النووية بمفاعلات RBMK ، والتي لا تزال تمثل ما يقرب من نصف جميع الكهرباء الذرية في روسيا. بالطريقة نفسها ، بعد انتهاء عملهم ، ستصبح PUGRs أرضًا اختبارًا لتطوير تقنيات إدارة الجرافيت المشع الضرورية لإيقاف تشغيل محطات الطاقة النووية باستخدام مفاعلات الجرافيت.

ملاحظة: لقد حدث ذلك في اليوم الآخر في أحد المنشآت النووية في منطقة سفيردلوفسك (سأكتب منشورًا منفصلًا عن ذلك) التقيت بأخصائيين من SpetsAtomService ، الذين سيعملون قريبًا على إيقاف تشغيل PUGR آخر في SCC. صدف مضحك يحدث في بعض الأحيان.

مصادر:

1. كرونيكل روساتوم. تاريخ المفاعلات.
2. مشاكل الإرث النووي وطرق حلها. المجلد 1
3. تجربة في وقف تشغيل PUGR HELL من خلال طريقة "الدفن في الموقع"
4. من المخطط دفن خمسة مفاعلات تنتج البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة في ماياك بي إيه
5. الحلول والتقنيات والخبرات الفنية لشركة JSC "UDC UGR" بشأن وقف تشغيل محطات الطاقة النووية