Industrielle Uran-Graphit-Reaktoren zur Herstellung von Plutonium

Apropos Kernreaktoren, wir stellen uns am häufigsten einen Kernkraftwerksreaktor vor. Ihre Aufgabe ist es, aus Kernbrennstoffen Wärme zu erzeugen, die dann in Strom umgewandelt wird. Es gibt jedoch eine relativ große Anzahl von Reaktoren, die für andere Zwecke betrieben werden. Sie werden für Forschungszwecke, zur Herstellung von nützlichen Isotopen ua verwendet für medizinische Zwecke, als Energiequelle für zivile Schiffe und Kriegsschiffe. In den 40er Jahren wurden jedoch die ersten leistungsstarken Kernreaktoren für eine wichtige Aufgabe gebaut - die Herstellung von waffenfähigem Plutonium, die Befüllung von Atomwaffen. Sie wurden industriell genannt. Und genau ihrer Geschichte und dem aktuellen Zustand unseres Landes widmet sich dieser Artikel.


Industrieller Uran-Graphit-Reaktor ADE-2

Ein Kernreaktor ist eine Vorrichtung, in der eine kontrollierte Kettenreaktion der Spaltung schwerer Kerne (zum Beispiel Uran oder Plutonium) stattfindet. In diesem Fall treten eine Vielzahl weiterer Kernreaktionen auf, die für verschiedene Aufgaben genutzt werden können. Als in den frühen 1940er Jahren die Physiker nach spaltbaren Materialien suchten, die sich am besten für die Herstellung einer Atombombe eignen, stellte sich heraus, dass angereichertes Uran und das künstliche Element Plutonium, das in der Natur nicht vorhanden ist, für seine Rolle geeignet sind. Infolgedessen wurden beide Optionen umgesetzt. Die auf Hiroshima und Nagasaki abgeworfenen Bomben waren Prototypen dieser beiden unterschiedlichen Typen - aus angereichertem Uran und aus Plutonium. Infolgedessen schien die Verwendung von Plutonium aus mehreren Gründen vorzuziehen. Aber um es zu erhalten, ist es notwendig, Reaktoren zu bauen, in denen Uran mit Neutronen bestrahlt und in Plutonium umgewandelt wird, und dann den Brennstoff zu entladen und zu verarbeiten (dieser Prozess führte zu der Entstehung einer großen Menge flüssigen Abfalls, wie ich in einem früheren Beitrag schrieb ) und davon zu trennen ihm Plutonium. Zu diesem Zweck begannen sie in den USA und dann in der UdSSR mit dem Bau von Industriereaktoren und daneben mit ganzen Anlagen zur Aufbereitung von Kernbrennstoffen und zur Abtrennung von Plutonium.

Der weltweit erste Industriereaktor wurde im Rahmen des Manhattan-Projekts in den USA gebaut. Es war der Reaktor „B“ und wurde im September 1944 im Werk Hanfor in Betrieb genommen, wo insgesamt 9 Industriereaktoren gebaut wurden. Infolgedessen konnten die Amerikaner am 16. Juli 1945 auf einem Trainingsgelände in New Mexico die erste nukleare Plutoniumbombenexplosion (Trinity-Test) und am 9. August 1945 in Nagasaki eine militärische Explosion durchführen. In Hiroshima wurde eine Uranbombe ohne Testexplosion gezündet.

In der UdSSR wurde in Analogie zum Kombinat von Handford das Kombinat von Mayak (ehemals Werk Nr. 817) in Ozersk (ehemals Tscheljabinsk-40) in der Region Tscheljabinsk gebaut. Dort wurde 1948 der erste Industriereaktor "A" in Betrieb genommen. Er gab Plutonium für die erste sowjetische Atombombe, deren Test am 29. August 1949 stattfand.

Die Konstruktionen der ersten industriellen plutoniumproduzierenden Reaktoren waren in etwa ähnlich. Dies sind kanalthermische Neutronenreaktoren mit Graphitmoderator und Durchlaufwasserkühlung. Der Reaktorkern selbst (der Raum, in dem die Kettenreaktion stattfindet) wurde aus Graphit gewonnen, der als Neutronenmoderator fungierte. Die Verlangsamung der Neutronen in Graphit ermöglichte die Verwendung von natürlichem, nicht angereichertem Uran als Brennstoff. Dies vereinfachte und beschleunigte die Produktion von Plutonium erheblich. Im Graphitmauerwerk des Reaktors wurden Kanäle gebohrt, in die Brennstoff in Form von Uranmetallblockzylindern eingebracht wurde. Durch diese Kanäle wurde Wasser zum Kühlen zugeführt Die Uranspaltung erzeugte viel Wärme. Auf einer Seite des Kanals wurden Blöcke mit Brennstoff beladen, im Reaktor bestrahlt, in denen sich Plutonium bildete (einige Prozent des beladenen Urans), und nach einer Weile wurden sie auf der anderen Seite des Kanals entladen und gingen zur Wiederaufbereitung - Lösen und Freisetzen von Plutonium durch chemische Verfahren. Reaktoren dieser Bauart und für diesen Zweck wurden in der UdSSR PUGR genannt - industrielle Uran-Graphit-Reaktoren.

Der Hauptunterschied zwischen den PUGRs in den USA und der UdSSR bestand darin, dass die Amerikaner horizontale Kanäle hatten und unsere vertikale. Trotz der Tatsache, dass wir in vielerlei Hinsicht mit den Amerikanern aufholten und ihrer Zeit sparten, schien diese Option den sowjetischen Entwicklern rentabler, da eine Reihe von Problemen mit der Ungleichmäßigkeit des Wärmeflusses gelöst wurden.


Der weltweit erste B-Industriereaktor in Hanford, USA. Sie können die Frontplatte mit horizontalen Kanälen sehen, in die frischer Kraftstoff geladen wurde. Quelle


Schema des Graphitmauerwerks in der aktiven Zone der sowjetischen PUGR. Die Größe des Zylinders beträgt etwa 9 m Durchmesser und die gleiche Höhe.

So fungierte der Reaktor als Förderer für die Bestrahlung und Bildung von Plutonium aus natürlichem Uran - es war ein sehr einfacher, aber effektiver Weg, Sprengstoff für Bomben herzustellen. In diesem Fall musste der Reaktor zwar mit Wasser gekühlt werden, das irgendwo entnommen und dann (oft schon mit Radionukliden aus dem Brennstoff verunreinigt) abgelassen werden musste, und als Plutonium in radiochemischen Anlagen abgetrennt wurde, wurde eine große Menge an flüssigem radioaktivem Abfall erzeugt. Aber die Zeit war so, dass die Hauptaufgabe zuallererst gelöst wurde - die Schaffung von Waffen. Leider wurden Abfallprobleme auf einen späteren Zeitpunkt verschoben und der Grundstein für viele Umweltfolgen gelegt, die heute als nukleares Erbe bezeichnet werden.
In der UdSSR wurden drei Anlagen zur Herstellung von waffenfähigem Plutonium gebaut - PA Mayak (Ozersk, Region Tscheljabinsk), SCC (Seversk, Region Tomsk) und die staatliche Chemiefabrik (Zheleznogorsk, Region Krasnojarsk). Insgesamt wurden von 1948 bis 1965 13 PUGR in Betrieb genommen.

Die ersten Reaktoren bei PO Mayak

Der erstgeborene und größte Industriestandort des Atomkomplexes der UdSSR ist die Mayak Production Association (ehemals Werk Nr. 817, 40) in Ozersk (ehemals Tscheljabinsk-40) in der Region Tscheljabinsk, die seit 1948 in Betrieb ist. Am 8. Juni 1948 wurde am FSUE Mayak PA der erste Uran-Graphit-Industriereaktor A (Annushka) des Landes in Betrieb genommen.

Im August 1946 wurde das Projekt genehmigt und mit dem Bau des Reaktors begonnen. Mit minimaler Mechanisierung wurden unter den Bedingungen eines harten Uralwinters im Frühjahr 1947 die härtesten Bodenarbeiten auf der Baustelle des Werks durchgeführt - eine Baugrube von 80 mal 80 Metern und eine Tiefe von 53 Metern wurde ausgehoben. Insgesamt wurden 157.000 Kubikmeter Boden ausgehoben. In der letzten Phase der Ausgrabung von felsigem Boden wurden 11.000 Bagger eingesetzt.


Das Gebäude des ersten Reaktors "A". Quelle

Der zylindrische Kern des Reaktors hatte einen Durchmesser von 9,2 m und eine Höhe von 9,2 m. Die Graphitsäulen bestanden aus Blöcken von 600 mm mit einem quadratischen Querschnitt von 200 x 200 mm und einem zentralen Loch mit einem Durchmesser von 44 mm. Das Graphitmauerwerk wurde vertikal von 1200 dünnwandigen Aluminiumrohren mit einer Wandstärke von 1 mm durchbohrt, durch die Wasser floss und in denen sich Uranblöcke (Durchmesser 35 mm, Höhe 100 mm) mit einer Aluminiumlegierungshülle befanden. Jeder Kanal lud 74 Blöcke. Im unteren Teil der Rohre lehnten sie an einer Austragvorrichtung, die bei Bedarf einen Block von jedem senkrechten Rohr ausgeben konnte. Unter ihrem eigenen Gewicht fielen die Blöcke ins Wasser und fielen in den Überlastschacht. Dann betraten sie die Transportgalerie, wo sie 2 Monate lang unter einer Wasserschicht gelagert wurden, wonach sie zur Verarbeitung gingen.


Reaktorhalle A der Mayak Production Association. ( Quelle )

Am 8. Juni 1948 startete Kurchatov persönlich den Reaktor mit einer Ladung von etwa 75 Tonnen Uran. Und etwas weniger als ein Jahr später, am 29. August 1949, wurde die erste im Reaktor erhaltene Atombombe der UdSSR aus Plutonium auf dem Versuchsgelände in Semipalatinsk getestet. Laut dem Projekt sollte der erste Industriereaktor „A“ drei Jahre lang arbeiten, arbeitete aber 39 Jahre lang - bis 1987. Lesen Sie hier mehr über Reaktor "A".

Insgesamt waren im Laufe der Jahre des Bestehens des Unternehmens zehn Industriereaktoren bei der Mayak Production Association in Betrieb, von denen derzeit zwei in Betrieb sind. Unter ihnen wurden von 1948 bis 1952 5 industrielle Uran-Graphit-Reaktoren - A, AI, AV-1, AV-2 und AV-3 - in Betrieb genommen. Ihre anfängliche Lebensdauer war kurz, aber sie arbeiteten mehr als 30 Jahre und modernisierten sich bei größeren Reparaturen. Sie wurden in der Zeit von 1987 bis 1990 gestoppt, und seitdem wird an ihrer Stilllegung gearbeitet.

Unterirdischer Blutdruck im Bergbau- und Chemiekombinat.

Bergbau- und Chemiefabrik, die dritte Plutoniumproduktionsanlage in der UdSSR, ein einzigartiges Unternehmen, das sich unter der Erde in einer Gesteinsmasse befindet. Am Standort der FSUE "MCC" in Schelesnogorsk bei Krasnojarsk gibt es drei PUGR - AD, ADE-1 und ADE-2. Sie befinden sich zusammen mit Hilfsmitteln und Kommunikationsmitteln in den felsigen Minenbetrieben - in Minen, die mit monolithischem Beton ausgekleidet sind. Dem Projekt zufolge sollten sich die Reaktoren in einer Tiefe von etwa 200 m in felsigen Böden in Querfeldern von 8 bis 18 m Breite, 60 bis 80 m Länge und 5 bis 30 m Höhe befinden.


Elektrischer Zug zur unterirdischen Mühle des Bergbau- und Chemiekombinats. Quelle

PUGR AD war ein Einzweck-Durchflussreaktor mit thermischen Neutronen. Er arbeitete von 1958 bis 1992. Dieser Reaktor hatte nicht nur eine doppelt so hohe Plutoniumproduktivität wie seine Vorgänger, sondern ermöglichte es aufgrund seiner Konstruktion und spezifischen Leistung, die Temperatur des Kühlwassers am Auslass auf den Zustand des Turbinenarbeitsfluids zu erhöhen. Tatsächlich war es ein Kraftreaktorprojekt.


Abschaltung des ADE-2-Reaktors im MCC am 15. April 2010 ( Quelle )

ADE-1 war als Energiereaktor konzipiert, wurde jedoch ab dem 20. Juli 1961 als Einzweck-Durchflussreaktor betrieben. Am 29. September 1992 wegen Stilllegung gestoppt. ADE-2 ist seit 1964 im Dual-Purpose-Modus (Plutonium + Strom) und wurde am 15. April 2010 wegen Außerbetriebnahme gestoppt.

Das erste Atomkraftwerk im sibirischen Chemiewerk

In der Zeit von 1953 bis 1964 wurden an den Standorten des sibirischen Chemiewerks in der Stadt Sewersk (Tomsker Gebiet) die PUGR I-1, EI-2, ADE-3, ADE-4 und ADE-5 gebaut und in Betrieb genommen. Der Reaktor I-1 war ausschließlich für die Herstellung von Plutonium in Waffenqualität bestimmt, die übrigen Reaktoren bündelten die Funktionen der Plutoniumherstellung und der Stromerzeugung. Der EI-2-Reaktor hat diese Funktionen zum ersten Mal weltweit kombiniert. Mit der Inbetriebnahme dieses Reaktors im Jahr 1958 wurde die erste Stufe des sibirischen Kernkraftwerks mit einer Leistung von 100 MW in Betrieb genommen, das nach Obninsk das zweite Kernkraftwerk in der UdSSR war und 4 Jahre zuvor in Betrieb genommen wurde. Die in Betrieb genommenen Reaktoren der ADE-Serie erhöhten schrittweise die Kapazität des sibirischen Kernkraftwerks. Mit dem Start von ADE-5 hatte die Station eine Kapazität von 600 MW.


Das sibirische Kernkraftwerk in SCC ist das erste große Kernkraftwerk in der UdSSR und das einzige Kernkraftwerk in Sibirien.

Auf der Basis der Reaktoren ADE-4 und ADE-5 wurde ein Fernwärmeversorgungssystem entworfen und implementiert. Die Stadt Tomsk wurde durch die Nutzung der Wärme aus den Reaktoren ADE-4 und ADE-5 mit billiger Wärmeenergie versorgt. Die Reaktoren lieferten 30–35% der für die Beheizung der Siedlung Tomsk benötigten Wärme und mehr als 50% für die Stadt Sewersk und die Industriestandorte der Anlage. 2008 wurden in Sewersk die letzten industriellen Kernreaktoren abgeschaltet.

Das Erbe der Industriereaktoren

Die Erfahrungen mit Uran-Graphit-Reaktoren in der UdSSR haben dem Land nicht nur überschüssiges Kernmaterial geliefert, das auch noch als Brennstoff für konventionelle Kernkraftwerke verwendet wird, sondern auch den Weg für eine friedliche Kernenergie geebnet. Der Reaktor des weltweit ersten Kernkraftwerks in Obninsk, das 1954 eröffnete sibirische Kernkraftwerk, die ersten beiden Triebwerke des Kernkraftwerks Belojarsk, alle Triebwerke des Kernkraftwerks Bilibino sowie eine Reihe leistungsfähiger RBMK-1000-Reaktoren wurden auf der Grundlage von Erfahrungen beim Bau und Betrieb von Kanal-Uran-Graphit-Reaktoren entwickelt. Neben dem Sammeln von Erfahrungen und dem Entwickeln von Energierichtungen sind PUGRs zu Quellen vieler Umweltprobleme geworden. Häufige Ausfälle, Druckentlastung von Brennstäben und Versagen führten zur Freisetzung von Radionukliden in die Umwelt mit Kühlwasser in den Flüssen Yenisei und Tom. Die radiochemische Umverteilung von Brennstoff während der Isolierung eines wertvollen Produkts, Plutonium, führte zur Bildung des größten Teils des nuklearen Erbes der UdSSR - Lagerstätten für flüssigen radioaktiven Abfall in Form der Techen-Kaskade von Lagerstätten, Karachay- und Staroe-Bolot-Seen bei Mayak PA, unterirdische Lagerschichten bei SCC und MCC.


RBMK-1000-Reaktoren, die in den Kernkraftwerken Leningrad, Smolensk und Kursk betrieben werden, sind die konzeptionelle Entwicklung der industriellen Uran-Graphit-Plutonium-Hersteller. Nur Plutonium wurde nicht mehr aus ihrem Brennstoff gewonnen.

Außerbetriebnahme

1991 unterzeichneten die USA und Russland ein Abkommen über die endgültige Abschaltung von Plutoniumreaktoren für Waffen. Bisher wurden alle PUGR in Russland gestoppt und befinden sich in einem Stadium der Stilllegung.

Im Rahmen des föderalen Zielprogramms des föderalen Zielprogramms YaRB-1 (2008-2015) wurden Vorbereitungen getroffen und die erste und einzigartige Operation durchgeführt, um den PUGR vor Ort zu zerlegen und zu konservieren. 2010 wurde auf Basis des SCC das "Experimentelle Demonstrationszentrum für die Stilllegung von Uran-Graphit-Kernreaktoren" (UDC UGR) gegründet. Im September 2015 schloss UDC UGR den Betrieb zur endgültigen Stilllegung des EI-2-Reaktors ab. Jetzt ist es im Wesentlichen ein Hügel. Es wurden mehr als 100.000 m3 Dämmstoffe auf Basis lokaler Tone verwendet. Das Ergebnis der Arbeiten: Kernmaterial wurde entfernt, der Bodenteil und nicht projektbezogene Lagerräume wurden liquidiert. Graphitmauerwerk wird eingemottet.


Schematische Darstellung des EI-2-Reaktors am SCC vor (links) und nach (rechts) der Endkonservierung.

Die Stilllegung und Konservierung des PUGR „vor Ort“ gilt derzeit als optimales Konzept, um den Personalaufwand während des Stilllegungsprozesses zu reduzieren, den Transport großer Mengen radioaktiver Stoffe zu vermeiden und zusätzliche Lagermöglichkeiten für radioaktive Abfälle zu schaffen. Es können jedoch nicht alle Reaktoren auf diese Weise begraben werden. Im Rahmen des föderalen Zielprogramms „Gewährleistung der nuklearen Sicherheit und der Strahlenschutzsicherheit für den Zeitraum 2016-2020 und bis 2030“ ist geplant, zusätzlich 8 von 13 PUGR zurückzuziehen und endgültig zu konservieren sowie Probleme im Zusammenhang mit der Entsorgung von bestrahltem Graphit zu lösen.


Eine Gedenkplatte vor dem Hintergrund des Rasens an der Stelle der Stilllegung des EI-2-Reaktors im SCC. ( Quelle )

Derzeit bereiten sich die Reaktoren der Mayak Production Association auf der Grundlage der Erfahrungen von SCC vor Ort auf die Stilllegung vor. Im Jahr 2018 fanden öffentliche Diskussionen über das Projekt zur Stilllegung von fünf industriellen Uran-Graphit-Reaktoren der Anlage statt. Im Rahmen des bevorstehenden Stilllegungsprozesses wird jeder Reaktor (falls erforderlich) dekontaminiert und die im Reaktorgebäude und auf dem Gelände befindlichen Geräte und Systeme demontiert. Dann werden die inneren Hohlräume des Reaktors, der Reaktorschacht und die Gebäudevolumina des Reaktorgebäudes mit sorbierenden und wasserdichten Materialien auf Null gefüllt, d.h. zur Oberfläche der Erde. Danach wird über dem Reaktorschacht eine zusätzliche Barriere in Form einer oberen hermetischen Schutzplatte erzeugt.

Anstelle von Schlussfolgerungen

Die industriellen Uran-Graphit-Reaktoren, die die UdSSR mit dem für Atomwaffen notwendigen Plutonium versorgten, legten den Grundstein für die friedliche Nutzung der Atomenergie in Kernkraftwerken der ersten Generation und für den Start einer großen Serie von Kernkraftwerken mit RBMK-Reaktoren, die nach wie vor fast die Hälfte des gesamten Atomstroms in Russland ausmachen. Auf die gleiche Weise werden die PUGR nach Abschluss ihrer Arbeiten zu einem Testfeld für die Entwicklung von Technologien für das Management von bestrahltem Graphit, die für die Stilllegung von Kernkraftwerken mit Uran-Graphit-Reaktoren erforderlich sind.

PS: So kam es, dass ich neulich in einer der Nuklearanlagen in der Region Swerdlowsk (ich schreibe einen separaten Beitrag darüber) Spezialisten von SpetsAtomService getroffen habe, die bald daran arbeiten werden, eine weitere PUGR bei SCC außer Betrieb zu setzen. Lustige Zufälle passieren manchmal.

Quellen:

1. Chronik von Rosatom. Geschichte der Reaktoren.
2. Probleme des nuklearen Erbes und Wege zu ihrer Lösung. Band 1
3. Erfahrung in der Außerbetriebnahme von PUGR HELL nach der „Vor-Ort-Bestattungsmethode“
4. Fünf Reaktoren, die in Mayak PA waffenfähiges Plutonium produzieren, sollen vor Ort begraben werden
5. Technische Lösungen, Technologien und Erfahrungen der AG "UDC UGR" bei der Stilllegung von Kernkraftwerken