En parlant de réacteurs nucléaires, on imagine le plus souvent un réacteur de centrale nucléaire. Sa tâche est de générer de la chaleur à partir du combustible nucléaire, qui est ensuite converti en électricité. Mais il existe un nombre assez important de réacteurs fonctionnant à d'autres fins. Ils sont utilisés pour la recherche, pour la production d'isotopes utiles, y compris à des fins médicales, comme source d'énergie pour les navires civils et les navires de guerre. Mais les tout premiers puissants réacteurs nucléaires ont commencé à être construits dans les années 40 pour une tâche importante à l'époque - la production de plutonium de qualité militaire, le remplissage d'armes atomiques. Ils étaient appelés industriels. Et c'est précisément leur histoire et l'état actuel de notre pays que cet article est consacré.
Réacteur industriel uranium-graphite ADE-2Un réacteur nucléaire est un appareil dans lequel se produit une réaction en chaîne contrôlée de fission de noyaux lourds (par exemple, l'uranium ou le plutonium). Dans ce cas, un grand nombre d'autres réactions nucléaires se produisent qui peuvent être utilisées pour diverses tâches. Lorsqu'au début des années 40, les physiciens ont commencé à rechercher les matières fissiles les plus adaptées à la création d'une bombe nucléaire, il s'est avéré que l'uranium enrichi et l'élément artificiel de plutonium, qui n'existe pas dans la nature, conviennent à son rôle. En conséquence, les deux options ont été mises en œuvre. Les bombes larguées sur Hiroshima et Nagasaki étaient des prototypes de ces deux types différents - à partir d'uranium enrichi et de plutonium. En conséquence, le plutonium pour plusieurs raisons semblait plus préférable à utiliser. Mais pour l'obtenir, il est nécessaire de construire des réacteurs dans lesquels l'uranium sera irradié avec des neutrons et converti en plutonium, puis décharger le combustible et le traiter (ce processus a conduit à l'époque à la formation d'une grande quantité de déchets liquides, comme je l'ai écrit dans un
billet précédent ) et séparé de lui plutonium. C'est dans ce but qu'ils ont commencé à construire des réacteurs industriels aux États-Unis, puis en URSS, et à côté d'eux des usines entières pour le traitement du combustible nucléaire et la séparation du plutonium.
Le premier réacteur industriel au monde a été construit aux États-Unis dans le cadre du projet Manhattan. C'était le réacteur «B», il a été lancé en septembre 1944 à l'usine de Hanfor, où un total de 9 réacteurs industriels ont été construits. En conséquence, cela a permis aux Américains de mener la toute première explosion de bombe nucléaire au plutonium le 16 juillet 1945 (essai Trinity) sur un terrain d'entraînement au Nouveau-Mexique, puis une explosion militaire le 9 août 1945 à Nagasaki. À Hiroshima, une bombe à l'uranium a explosé sans explosion test.
En URSS, par analogie avec la moissonneuse-batteuse Handford, la moissonneuse-batteuse Mayak (anciennement l'usine n ° 817) a été construite à Ozersk (anciennement Chelyabinsk-40) dans la région de Chelyabinsk. Là, le premier réacteur industriel "A" a été lancé en 1948. C'est lui qui a donné du plutonium pour la première bombe nucléaire soviétique, dont l'essai a eu lieu le 29 août 1949.
Les conceptions des premiers réacteurs industriels producteurs de plutonium étaient à peu près similaires. Il s'agit de réacteurs à neutrons thermiques à canal avec un modérateur en graphite et un refroidissement par eau à passage unique. Le cœur du réacteur lui-même (l'espace où la réaction en chaîne a lieu) a été collecté à partir de graphite, qui a agi comme modérateur de neutrons. Le ralentissement des neutrons dans le graphite a permis d'utiliser de l'uranium naturel non enrichi comme combustible. Cela a grandement simplifié et accéléré la production de plutonium. Dans la maçonnerie en graphite du réacteur, des canaux ont été forés dans lesquels du combustible a été chargé sous la forme de cylindres blocs d'uranium métal. L'eau était fournie par ces canaux pour le refroidissement, La fission d'uranium a généré beaucoup de chaleur. Des blocs de combustible ont été chargés d'un côté du canal, irradiés dans le réacteur, du plutonium y a été formé (quelques pour cent de l'uranium chargé), et après un certain temps, ils ont été déchargés de l'autre côté du canal et sont allés au retraitement - dissoudre et libérer du plutonium par des méthodes chimiques. Les réacteurs de cette conception et de cet objectif en URSS étaient appelés PUGR - réacteurs industriels à graphite et uranium.
La différence principale et frappante entre les PUGR aux États-Unis et en URSS était que les Américains avaient des canaux horizontaux et les nôtres étaient verticaux. Malgré le fait qu'à bien des égards, nous rattrapions les Américains et suivions leur temps de gain de piste, cette option semblait plus rentable aux développeurs soviétiques en raison de la résolution d'un certain nombre de problèmes liés à l'inégalité du flux de chaleur.
Le premier réacteur industriel B au monde à Hanford, aux États-Unis. Vous pouvez voir le panneau avant avec des canaux horizontaux où le carburant frais a été chargé. Source
Schéma de maçonnerie en graphite dans la zone active du PUGR soviétique. La taille du cylindre est d'environ 9 m de diamètre et de même hauteur.Ainsi, le réacteur a servi de convoyeur pour l'irradiation et la formation de plutonium à partir d'uranium naturel - c'était un moyen très simple mais efficace de produire des explosifs pour les bombes. Certes, dans ce cas, le réacteur a dû être refroidi avec de l'eau, qui doit être amenée quelque part puis (souvent déjà contaminée par des radionucléides du combustible), et lorsque le plutonium a été séparé dans des usines radiochimiques, une grande quantité de déchets radioactifs liquides a été générée. Mais le temps était tel que la tâche principale était d'abord résolue - la création d'armes. Hélas, les problèmes de déchets ont été reportés à plus tard et ont jeté les bases de nombreuses conséquences environnementales, aujourd'hui appelées héritage nucléaire.
Trois usines ont été construites en URSS pour la production de plutonium de qualité militaire - PA Mayak (Ozersk, région de Tcheliabinsk), SCC (Seversk, région de Tomsk) et l'usine chimique d'État (Zheleznogorsk, territoire de Krasnoïarsk). Au total, 13 PUGR ont été mis en service de 1948 à 1965.
Les premiers réacteurs de PO MayakLe premier-né et le plus grand site industriel du complexe nucléaire de l'URSS est la Mayak Production Association (Mayak Production Association, anciennement Usine n ° 817, quarante) située à Ozersk (anciennement Chelyabinsk-40) dans la région de Chelyabinsk, et fonctionne depuis 1948. Le 8 juin 1948, le premier réacteur industriel à graphite et uranium A (Annushka) du pays a été lancé à FSUE Mayak PA.
En août 1946, le projet est approuvé et la construction du réacteur commence. Avec une mécanisation minimale, dans les conditions d'un
hiver rigoureux de l'Oural, au printemps 1947, le travail du sol le plus dur a été effectué sur le site de construction de l'usine - une fosse d'excavation de 80 par 80 mètres et une profondeur de 53 m a été creusée. Au total, 157000 mètres cubes de sol ont été excavés. Au stade final de l'excavation du sol rocheux, 11 000 creuseurs ont été employés.
La construction du premier réacteur "A". SourceLe cœur cylindrique du réacteur avait un diamètre de 9,2 m et une hauteur de 9,2 m. Les colonnes en graphite étaient constituées de blocs de 600 mm avec une section carrée de 200 x 200 mm et un trou central d'un diamètre de 44 mm. La maçonnerie en graphite était percée verticalement par 1200 tuyaux en aluminium à paroi mince d'une épaisseur de paroi de 1 mm, à travers lesquels l'eau coulait et dans lesquels se trouvaient des blocs d'uranium (diamètre 35 mm, hauteur 100 mm) avec une coque en alliage d'aluminium. Chaque canal a chargé 74 blocs. Dans la partie inférieure des tuyaux, ils reposaient contre un dispositif de décharge qui, si nécessaire, pouvait sortir un bloc de n'importe quel tuyau vertical. Sous leur propre poids, les blocs sont tombés dans l'eau et sont tombés dans l'arbre de surcharge. Ensuite, ils sont entrés dans la galerie de transport, où ils ont été stockés sous une couche d'eau pendant 2 mois, après quoi ils sont allés pour le traitement.
Reactor Hall A à la Mayak Production Association. ( Source )Le 8 juin 1948, Kurchatov a personnellement lancé le réacteur physiquement avec une charge d'environ 75 tonnes d'uranium. Et un peu moins d'un an plus tard, le 29 août 1949, la première bombe atomique de l'URSS à partir de plutonium obtenu au réacteur a été testée sur le site d'essai de Semipalatinsk. Selon le projet, le premier réacteur industriel «A» devait fonctionner pendant 3 ans, mais il a fonctionné pendant 39 ans - jusqu'en 1987. En savoir plus sur le réacteur "A"
ici .
Au total, au fil des années, l'entreprise a existé, dix réacteurs industriels ont fonctionné à la Mayak Production Association, dont deux sont actuellement en activité. Parmi eux, 5 réacteurs industriels uranium-graphite - A, AI, AV-1, AV-2 et AV-3, ont été mis en service de 1948 à 1952. Leur durée de vie initiale était courte, mais ils ont travaillé pendant plus de 30 ans, se modernisant lors de réparations majeures. Ils ont été arrêtés entre 1987 et 1990 et depuis lors, des travaux sont en cours pour leur déclassement.
Pression artérielle souterraine à la combinaison des mines et des produits chimiques.Usine minière et chimique, la troisième usine de production de plutonium en URSS, une entreprise unique située sous terre dans une masse rocheuse. Sur le site du FSUE "MCC" à Zheleznogorsk près de Krasnoyarsk, il y a trois PUGR - AD, ADE-1 et ADE-2. Avec l'équipement auxiliaire et les communications, ils sont situés dans les mines rocheuses - dans les mines recouvertes de béton monolithique. Selon le projet, les réacteurs étaient censés être situés dans un sol rocheux à une profondeur d'environ 200 m dans des travaux transversaux de 8 à 18 m de large, de 60 à 80 m de long et de 5 à 30 m de haut.
Train électrique vers le moulin souterrain de la mine et du combiné chimique. SourcePUGR AD était un réacteur à écoulement à usage unique avec des neutrons thermiques. Il a travaillé de 1958 à 1992. Non seulement ce réacteur avait deux fois plus de productivité en plutonium que ses prédécesseurs, sa conception et sa puissance spécifique ont permis d'élever la température de l'eau de refroidissement en sortie à l'état du fluide de travail de la turbine. En fait, c'était un projet de réacteur de puissance.
Arrêt du réacteur ADE-2 au MCC le 15 avril 2010 (
Source )
L'ADE-1 a été conçu comme un réacteur à énergie, mais a fonctionné comme un réacteur à écoulement unique à partir du 20 juillet 1961. Arrêté pour déclassement le 29 septembre 1992. L'ADE-2 fonctionne en mode double usage depuis 1964 (plutonium + électricité) et a été arrêté pour mise hors service le 15 avril 2010.
La première centrale nucléaire de l'usine chimique sibérienneEntre 1953 et 1964, sur les sites de l'usine chimique sibérienne de la ville de Seversk (région de Tomsk), des PUGR I-1, EI-2, ADE-3, ADE-4, ADE-5 ont été construits et mis en service. Le réacteur I-1 était destiné uniquement à la production de plutonium de qualité militaire, les réacteurs restants combinaient les fonctions de production de plutonium et de production d'électricité. Pour la première fois au monde, le réacteur EI-2 a combiné ces fonctions. Avec la mise en service de ce réacteur en 1958, la première étape de la centrale nucléaire de Sibérie d'une capacité de 100 MW a été lancée, qui est devenue la deuxième centrale nucléaire en URSS après Obninsk, mise en service 4 ans plus tôt. Les réacteurs de la série ADE, au fur et à mesure de leur mise en service, ont progressivement augmenté la capacité de la centrale sibérienne. Avec le lancement de l'ADE-5, la capacité de la station était de 600 MW.
La centrale nucléaire sibérienne de SCC est la première grande centrale nucléaire d'URSS et la seule centrale nucléaire de Sibérie.Sur la base des réacteurs ADE-4 et ADE-5, un système d'alimentation en chaleur à distance a été conçu et mis en œuvre. La ville de Tomsk a reçu une énergie thermique bon marché en raison de l'utilisation de la chaleur des réacteurs ADE-4 et ADE-5. Les réacteurs ont fourni 30 à 35% de la chaleur nécessaire au chauffage du lotissement de Tomsk et plus de 50% à la ville de Seversk et aux sites industriels de l'usine. En 2008, les derniers réacteurs nucléaires industriels ont été arrêtés à Seversk.
L'héritage des réacteurs industrielsL'expérience de travail avec des réacteurs à graphite et d'uranium en URSS a non seulement fourni au pays un excédent de matières nucléaires, qui est toujours utilisé même comme combustible pour les centrales nucléaires conventionnelles, mais a également ouvert la voie à une énergie nucléaire pacifique. Le réacteur de la première centrale nucléaire au monde à Obninsk, a ouvert ses portes en 1954, la centrale nucléaire de Sibérie, les deux premières unités de la centrale nucléaire de Beloyarsk, toutes les unités de la centrale nucléaire de Bilibino et une série de réacteurs RBMK-1000 puissants ont été développés sur la base de l'expérience dans la construction et l'exploitation de réacteurs à canal d'uranium-graphite. Mais en plus d'acquérir de l'expérience, de développer des directions énergétiques, les PUGR sont devenus des sources de nombreux problèmes environnementaux. Les pannes fréquentes, la dépressurisation des crayons de combustible et les pannes ont conduit au rejet de radionucléides dans l'environnement avec de l'eau de refroidissement dans les rivières Yenisei et Tom. La redistribution radiochimique du combustible lors de l'isolement d'un produit précieux, le plutonium, a conduit à la formation de la plus grande partie de l'héritage nucléaire de l'URSS - des réservoirs de stockage de déchets radioactifs liquides sous la forme de la cascade de réservoirs Techen, des lacs Karachay et Staroe Bolot à Mayak PA, des strates de stockage souterrain au SCC et MCC.
Les réacteurs RBMK-1000 opérant aux centrales nucléaires de Leningrad, Smolensk et Kursk sont le développement conceptuel des producteurs industriels de plutonium uranium-graphite. Seul le plutonium n'était plus extrait de leur combustible.
Mise hors serviceEn 1991, les États-Unis et la Russie ont signé un accord sur l'arrêt définitif des réacteurs au plutonium de qualité militaire. À ce jour, tous les PUGR en Russie ont été arrêtés et sont à un certain stade du déclassement.
Dans le cadre du programme cible fédéral du Programme cible fédéral YaRB-1 (2008-2015), une préparation a été effectuée et la première et unique opération a été menée pour démonter et préserver le PUGR sur place. En 2010, sur la base du CSC, le «Centre de démonstration expérimental pour le déclassement des réacteurs nucléaires à uranium et graphite» (UDC UGR) a été créé. En septembre 2015, UDC UGR a achevé l'opération de déclassement final du réacteur EI-2. Maintenant, c'est essentiellement une colline. Plus de 100 000 m3 de matériaux isolants à base d'argiles locales ont été utilisés. Résultat des travaux: les matières nucléaires ont été enlevées, la partie sol et les installations de stockage hors projet ont été liquidées. La maçonnerie en graphite est mise en veilleuse.
Vue schématique du réacteur EI-2 au SCC avant (à gauche) et après (à droite) la conservation finale.Le déclassement et la mise sous cocon du PUGR «sur place» est actuellement considéré comme le concept le plus optimal, ce qui permet de réduire les charges de personnel pendant le processus de déclassement, en évitant le mouvement d'une grande quantité de matières radioactives et en créant des installations de stockage supplémentaires pour les déchets radioactifs. Cependant, tous les réacteurs ne peuvent pas être enterrés de cette manière. Dans le cadre du programme cible fédéral
«Assurer la sûreté nucléaire et radiologique pour 2016-2020 et pour la période allant jusqu'à 2030», il est également prévu de retirer et enfin de conserver 8 des 13 PUGR, ainsi que de résoudre les problèmes liés à l'élimination du graphite irradié.
Une plaque commémorative sur le fond de la pelouse sur le site de déclassement du réacteur EI-2 au CSC. ( Source )Actuellement, les réacteurs de la Mayak Production Association se préparent au déclassement «sur site» à partir de l'expérience du SCC. En 2018,
des discussions publiques ont eu lieu
sur le projet de déclassement de cinq réacteurs industriels à l'uranium et au graphite de la centrale. Dans le cadre du processus de déclassement à venir, chaque réacteur sera décontaminé (si nécessaire), démantelé l'équipement et les systèmes situés dans le bâtiment du réacteur et sur le site. Ensuite, les cavités internes du réacteur, le puits du réacteur et les volumes de construction des locaux du bâtiment du réacteur seront remplis de matériaux de sorption et d'imperméabilisation à zéro, c'est-à-dire à la surface de la terre. Après cela, une barrière supplémentaire sous la forme d'une plaque de protection hermétique supérieure sera créée au-dessus de la cuve du réacteur.
Au lieu de conclusionsLes réacteurs industriels à l'uranium et au graphite qui ont fourni à l'URSS le plutonium nécessaire aux armes nucléaires ont jeté les bases de l'utilisation pacifique de l'énergie atomique dans les centrales nucléaires de première génération et du lancement d'une série à grande échelle de centrales nucléaires dotées de réacteurs RBMK, qui représentent toujours près de la moitié de toute l'électricité atomique en Russie. De même, après la fin de leurs travaux, les PUGR deviendront un terrain d'expérimentation pour le développement des technologies de gestion du graphite irradié nécessaires au déclassement des centrales nucléaires avec des réacteurs uranium-graphite.
PS: Il se trouve que l'autre jour, dans l'une des installations nucléaires de la région de Sverdlovsk (j'écrirai un article à ce sujet), j'ai rencontré des spécialistes de SpetsAtomService, qui travailleront bientôt à la mise hors service d'un autre PUGR au SCC. Des coïncidences drôles se produisent parfois.
Sources:
1.
Chronique de Rosatom. Histoire des réacteurs.2.
Problèmes de l'héritage nucléaire et moyens de les résoudre. Volume 13.
Expérience du déclassement de PUGR HELL par la méthode de «l'enfouissement sur site»4.
Cinq réacteurs produisant du plutonium de qualité militaire à Mayak PA devraient être enterrés sur place5.
Solutions techniques, technologies et expérience du JSC «UDC UGR» sur le déclassement des centrales nucléaires