Reaktor uranium-grafit industri untuk produksi plutonium

Berbicara tentang reaktor nuklir, kita paling sering membayangkan reaktor pembangkit listrik tenaga nuklir. Tugasnya adalah menghasilkan panas dari bahan bakar nuklir, yang kemudian diubah menjadi listrik. Tetapi ada sejumlah besar reaktor yang beroperasi untuk keperluan lain. Mereka digunakan untuk penelitian, untuk produksi isotop yang berguna, termasuk untuk keperluan medis, sebagai sumber energi untuk kapal sipil dan kapal perang. Tetapi reaktor nuklir kuat pertama mulai dibangun pada tahun 40-an untuk satu tugas penting pada waktu itu - produksi plutonium tingkat senjata, pengisian senjata atom. Mereka disebut industri. Dan justru sejarah mereka dan kondisi negara kita saat ini yang dikhususkan untuk artikel ini.


Reaktor uranium-grafit industri ADE-2

Reaktor nuklir adalah perangkat di mana reaksi berantai yang dikendalikan dari fisi inti berat (misalnya, uranium atau plutonium) terjadi. Dalam hal ini, sejumlah besar reaksi nuklir lainnya terjadi yang dapat digunakan untuk berbagai tugas. Ketika pada awal 1940-an, fisikawan mulai mencari bahan fisil yang paling cocok untuk membuat bom nuklir, ternyata uranium yang diperkaya dan unsur plutonium buatan, yang tidak ada di alam, cocok untuk perannya. Akibatnya, kedua opsi tersebut diterapkan. Bom yang dijatuhkan di Hiroshima dan Nagasaki adalah prototipe dari dua jenis berbeda - dari uranium yang diperkaya dan dari plutonium. Akibatnya, plutonium karena beberapa alasan tampak lebih disukai untuk digunakan. Tetapi untuk memperolehnya, perlu membangun reaktor di mana uranium akan diiradiasi dengan neutron dan diubah menjadi plutonium, dan kemudian membongkar bahan bakar dan memprosesnya (proses ini mengarah pada saat pembentukan sejumlah besar limbah cair, seperti yang saya tulis di posting sebelumnya ) dan dipisahkan dari dia plutonium. Dengan tujuan inilah mereka mulai membangun reaktor industri di Amerika Serikat, dan kemudian di Uni Soviet, dan di samping mereka seluruh pabrik untuk pemrosesan bahan bakar nuklir dan pemisahan plutonium.

Reaktor industri pertama di dunia dibangun di Amerika Serikat sebagai bagian dari Proyek Manhattan. Itu adalah reaktor "B", diluncurkan pada bulan September 1944 di pabrik Hanfor, di mana total 9 reaktor industri dibangun. Akibatnya, ini memungkinkan Amerika untuk melakukan uji coba ledakan bom plutonium nuklir pertama kali pada 16 Juli 1945 (uji Trinity) di tempat pelatihan di New Mexico, dan kemudian ledakan militer pada 9 Agustus 1945 di Nagasaki. Di Hiroshima, bom uranium diledakkan tanpa ledakan uji.

Di Uni Soviet, dengan analogi dengan Combine Handford, Combine Mayak (sebelumnya Plant No. 817) dibangun di Ozersk (sebelumnya Chelyabinsk-40) di Wilayah Chelyabinsk. Di sana, reaktor industri pertama "A" diluncurkan pada tahun 1948. Dialah yang memberi plutonium untuk bom nuklir Soviet pertama, yang pengujiannya berlangsung pada 29 Agustus 1949.

Desain reaktor penghasil plutonium industri pertama kira-kira serupa. Ini adalah reaktor neutron termal saluran dengan moderator grafit dan pendingin air sekali pakai. Inti reaktor itu sendiri (ruang di mana reaksi berantai berlangsung) dikumpulkan dari grafit, yang bertindak sebagai moderator neutron. Perlambatan neutron dalam grafit memungkinkan untuk menggunakan uranium alami yang tidak diperkaya sebagai bahan bakar. Ini sangat menyederhanakan dan mempercepat produksi plutonium. Dalam pasangan grafit dari reaktor, saluran dibor ke mana bahan bakar dimuat dalam bentuk silinder blok logam uranium. Air disuplai melalui saluran ini untuk pendinginan, seperti Fisi uranium menghasilkan banyak panas. Blok dengan bahan bakar dimuat di satu sisi saluran, diiradiasi dalam reaktor, plutonium terbentuk di dalamnya (beberapa persen dari uranium yang dimuat), dan setelah beberapa saat mereka dibongkar di sisi lain saluran dan mulai diproses ulang - melarutkan dan melepaskan plutonium dengan metode kimia. Reaktor desain dan tujuan ini di Uni Soviet disebut PUGR - reaktor uranium-grafit industri.

Perbedaan utama dan mencolok antara PUGR di AS dan Uni Soviet adalah bahwa Amerika memiliki saluran horizontal, dan saluran kami vertikal. Terlepas dari kenyataan bahwa dalam banyak hal kami mengejar ketinggalan dengan Amerika dan mengikuti jejak mereka menghemat waktu, opsi ini tampaknya bagi pengembang Soviet lebih menguntungkan karena solusi dari sejumlah masalah dengan ketidakmerataan aliran panas.


Reaktor industri B pertama di dunia di Hanford, AS. Anda dapat melihat panel depan dengan saluran horisontal tempat bahan bakar segar dimuat. Sumber


Skema batu grafit di zona aktif PUGR Soviet. Ukuran silinder berdiameter sekitar 9 m dan tingginya sama.

Dengan demikian, reaktor bertindak sebagai konveyor untuk iradiasi dan pembentukan plutonium dari uranium alami - itu adalah cara yang sangat sederhana namun efektif untuk menghasilkan bahan peledak untuk bom. Benar, dalam kasus ini, reaktor harus didinginkan dengan air, yang harus diambil di suatu tempat dan kemudian (sering sudah terkontaminasi dengan radionuklida dari bahan bakar) dikeringkan, dan ketika plutonium dipisahkan dalam pabrik radiokimia, sejumlah besar limbah radioaktif cair dihasilkan. Tetapi waktunya sedemikian rupa sehingga tugas utama diselesaikan pertama-tama - penciptaan senjata. Sayangnya, masalah dengan limbah ditunda sampai nanti dan meletakkan dasar bagi banyak konsekuensi lingkungan, yang sekarang disebut warisan nuklir.
Tiga pabrik dibangun di Uni Soviet untuk produksi plutonium tingkat senjata - PA Mayak (Ozersk, Wilayah Chelyabinsk), SCC (Seversk, Wilayah Tomsk) dan Pabrik Kimia Negara (Zheleznogorsk, Wilayah Krasnoyarsk). Secara total, 13 PUGR dioperasikan mulai tahun 1948 hingga 1965.

Reaktor pertama di PO Mayak

Situs industri sulung USSR yang pertama dan terbesar di dunia adalah Mayak Production Association (Mayak Production Association, sebelumnya Plant No. 817, empat puluh) yang berlokasi di Ozersk (sebelumnya Chelyabinsk-40) di Wilayah Chelyabinsk, dan telah beroperasi sejak 1948. Pada 8 Juni 1948, reaktor industri uranium-grafit pertama (Annushka) di negara itu diluncurkan di FSUE Mayak PA.

Pada Agustus 1946, proyek disetujui dan pembangunan reaktor dimulai. Dengan mekanisasi minimal, dalam kondisi musim dingin Ural yang keras, pada musim semi 1947, pekerjaan tanah paling sulit dilakukan di lokasi konstruksi pabrik - lubang galian 80 kali 80 meter dan kedalaman 53 m digali. Total, 157 ribu meter kubik tanah digali. Pada tahap akhir penggalian tanah berbatu, 11 ribu penggali dipekerjakan.


Bangunan reaktor pertama "A". Sumber

Inti silinder reaktor berdiameter 9,2 m dan tinggi 9,2 m. Kolom grafit terdiri dari 600 mm blok dengan penampang persegi 200x200 mm dan lubang tengah dengan diameter 44 mm. Batu grafit ditindik secara vertikal oleh 1200 pipa aluminium berdinding tipis dengan ketebalan dinding 1 mm, melalui mana air mengalir dan di mana blok uranium (diameter 35 mm, tinggi 100 mm) dengan shell paduan aluminium berada. Setiap saluran memuat 74 blok. Di bagian bawah pipa mereka bersandar pada perangkat pelepasan, yang, jika perlu, dapat mengeluarkan satu blok dari pipa vertikal. Karena beratnya sendiri, balok-balok itu jatuh ke air dan jatuh ke poros yang kelebihan beban. Kemudian mereka memasuki galeri transportasi, di mana mereka disimpan di bawah lapisan air selama 2 bulan, setelah itu mereka pergi untuk diproses.


Aula Reaktor A di Asosiasi Produksi Mayak. ( Sumber )

Pada 8 Juni 1948, Kurchatov secara pribadi meluncurkan reaktor secara fisik dengan muatan sekitar 75 ton uranium. Dan kurang dari setahun kemudian, pada tanggal 29 Agustus 1949, bom atom pertama Uni Soviet dari plutonium yang diperoleh di reaktor diuji di lokasi uji coba Semipalatinsk. Menurut proyek tersebut, reaktor industri pertama "A" seharusnya bekerja selama 3 tahun, tetapi ia bekerja selama 39 tahun - hingga 1987. Baca lebih lanjut tentang reaktor "A" di sini .

Secara total, selama bertahun-tahun perusahaan telah ada, sepuluh reaktor industri telah beroperasi di Asosiasi Produksi Mayak, dua di antaranya saat ini beroperasi. Di antara mereka, 5 reaktor uranium-grafit industri - A, AI, AV-1, AV-2 dan AV-3, ditugaskan dari tahun 1948 hingga 1952. Umur awal mereka pendek, tetapi mereka bekerja selama lebih dari 30 tahun, memodernisasi selama perbaikan besar. Mereka dihentikan pada periode 1987 hingga 1990, dan sejak itu pekerjaan telah dilakukan untuk menonaktifkan mereka.

Tekanan darah bawah tanah di Mining and Chemical Combine.

Penambangan dan pabrik kimia, pabrik produksi plutonium ketiga di USSR, sebuah perusahaan unik yang terletak di bawah tanah dalam massa batuan. Di situs FSUE "MCC" di Zheleznogorsk dekat Krasnoyarsk ada tiga PUGR - AD, ADE-1 dan ADE-2. Bersama dengan peralatan tambahan dan komunikasi, mereka terletak di tambang batu massa batuan - di tambang yang dilapisi dengan beton monolitik. Menurut proyek tersebut, reaktor-reaktor itu seharusnya ditempatkan di tanah berbatu pada kedalaman sekitar 200 m dalam pekerjaan melintang dengan lebar 8-18 m, panjang 60-80 m dan tinggi 5-30 m.


Kereta listrik ke pabrik bawah tanah Mining and Chemical Combine. Sumber

PUGR AD adalah reaktor aliran tujuan tunggal dengan neutron termal. Dia bekerja dari tahun 1958 hingga 1992. Tidak hanya reaktor ini memiliki produktivitas plutonium dua kali lebih banyak dari pendahulunya, desain dan daya spesifiknya memungkinkan untuk menaikkan suhu air pendingin di outlet ke keadaan fluida kerja turbin. Sebenarnya, itu adalah proyek reaktor daya.


Penutupan reaktor ADE-2 di MCC pada 15 April 2010 ( Sumber )

ADE-1 dirancang sebagai reaktor energi, tetapi dioperasikan sebagai reaktor aliran-tujuan sekali pakai mulai 20 Juli 1961. Berhenti untuk dekomisioning pada 29 September 1992. ADE-2 telah beroperasi dalam mode tujuan ganda sejak tahun 1964 (plutonium + listrik), dan dihentikan untuk penonaktifan pada 15 April 2010.

Pembangkit listrik tenaga nuklir pertama di Siberian Chemical Plant

Pada periode 1953 hingga 1964, di lokasi Pabrik Kimia Siberia di kota Seversk (Wilayah Tomsk), I-1, EI-2, ADE-3, ADE-4, ADE-5 PUGRs dibangun dan dioperasikan. Reaktor I-1 dimaksudkan hanya untuk memproduksi plutonium tingkat senjata, reaktor yang tersisa menggabungkan fungsi memproduksi plutonium dan menghasilkan listrik. Untuk pertama kalinya di dunia, reaktor EI-2 menggabungkan fungsi-fungsi ini. Dengan commissioning reaktor ini pada tahun 1958, tahap pertama PLTN Siberia dengan kapasitas 100 MW diluncurkan, yang menjadi stasiun nuklir kedua di Uni Soviet setelah Obninsk, ditugaskan 4 tahun sebelumnya. Reaktor seri ADE, saat dioperasikan, secara bertahap meningkatkan kapasitas PLTN Siberia. Dengan peluncuran ADE-5, kapasitas stasiun adalah 600 MW.


PLTN Siberia di SCC adalah PLTN besar pertama di Uni Soviet dan satu-satunya PLTN di Siberia.

Atas dasar reaktor ADE-4 dan ADE-5, sistem pasokan panas yang jauh dirancang dan diimplementasikan. Kota Tomsk diberi energi panas yang murah karena penggunaan panas dari reaktor ADE-4 dan ADE-5. Reaktor menyediakan 30-35% dari panas yang dibutuhkan untuk memanaskan perumahan Tomsk, dan lebih dari 50% untuk kota Seversk dan lokasi industri pabrik. Pada 2008, reaktor nuklir industri terakhir ditutup di Seversk.

Warisan reaktor industri

Pengalaman bekerja dengan reaktor uranium-grafit di USSR tidak hanya memberi negara itu kelebihan bahan nuklir, yang masih digunakan bahkan sebagai bahan bakar untuk pembangkit listrik tenaga nuklir konvensional, tetapi juga membuka jalan menuju energi nuklir yang damai. Reaktor pembangkit listrik tenaga nuklir pertama di dunia di Obninsk, dibuka pada tahun 1954, pembangkit tenaga nuklir Siberia, dua unit pertama pembangkit listrik tenaga nuklir Beloyarsk, semua unit pembangkit listrik tenaga nuklir Bilibino dan serangkaian reaktor RBMK-1000 yang kuat dikembangkan berdasarkan pengalaman dalam konstruksi dan operasi reaktor uranium-grafit saluran. Tetapi selain mendapatkan pengalaman, mengembangkan arah energi, PUGR telah menjadi sumber dari banyak masalah lingkungan. Kerusakan yang sering terjadi, depressurisasi batang bahan bakar, dan kegagalan menyebabkan pelepasan radionuklida ke lingkungan dengan air pendingin ke sungai Yenisei dan Tom. Redistribusi bahan bakar radio-kimia selama isolasi produk berharga, plutonium, mengarah pada pembentukan bagian terbesar warisan nuklir Uni Soviet - tempat penyimpanan limbah radioaktif cair dalam bentuk kaskade reservoir Techen, danau Karachay dan Staroe Bolot di Mayak PA, strata penyimpanan bawah tanah di SCC dan PKS.


Reaktor RBMK-1000 yang beroperasi di PLTN Leningrad, Smolensk dan Kursk adalah pengembangan konseptual dari produsen plutonium uranium-grafit industri. Hanya plutonium tidak lagi diekstraksi dari bahan bakar mereka.

Penonaktifan

Pada tahun 1991, Amerika Serikat dan Rusia menandatangani perjanjian tentang penutupan akhir reaktor plutonium tingkat senjata. Hingga saat ini, semua PUGR di Rusia telah dihentikan dan sedang dalam tahap dekomisioning.

Sebagai bagian dari program target federal dari Program Target Federal YaRB-1 (2008-2015), persiapan dilakukan dan operasi pertama dan unik dilakukan untuk membongkar dan melestarikan PUGR di lokasi. Pada tahun 2010, berdasarkan SCC, "Pusat Demonstrasi Eksperimental untuk menonaktifkan reaktor nuklir grafit uranium" (UDC UGR) dibentuk. Pada bulan September 2015, UDC UGR menyelesaikan operasi pada dekomisioning akhir reaktor EI-2. Sekarang ini pada dasarnya adalah sebuah bukit. Lebih dari 100 ribu m3 bahan isolasi berdasarkan lempung lokal digunakan. Hasil pekerjaan: bahan nuklir dipindahkan, bagian dasar dan fasilitas penyimpanan non-proyek dilikuidasi. Pasangan bata grafit adalah kapur barus.


Tampilan skematik reaktor EI-2 di SCC sebelum (kiri) dan setelah (kanan) konservasi akhir.

Dekomisioning dan mothballing PUGR "on the spot" saat ini dianggap sebagai konsep yang paling optimal, yang memungkinkan pengurangan beban personel selama proses dekomisioning, menghindari perpindahan sejumlah besar bahan radioaktif dan penciptaan fasilitas penyimpanan tambahan untuk limbah radioaktif. Namun, tidak semua reaktor dapat dikubur dengan cara ini. Dalam kerangka program target federal “Memastikan Keselamatan Nuklir dan Radiasi untuk 2016-2020 dan untuk Periode Hingga 2030”, direncanakan untuk menarik tambahan dan akhirnya menghemat 8 dari 13 PUGR, serta menyelesaikan masalah terkait dengan pembuangan grafit iradiasi.


Lempengan peringatan di latar belakang halaman di lokasi penonaktifan reaktor EI-2 di SCC. ( Sumber )

Saat ini, reaktor di Asosiasi Produksi Mayak sedang mempersiapkan penonaktifan "di tempat" dari pengalaman SCC. Pada tahun 2018, diskusi publik diadakan pada proyek dekomisioning lima reaktor uranium-grafit industri dari pabrik. Sebagai bagian dari proses dekomisioning yang akan datang, setiap reaktor akan didekontaminasi (jika perlu), membongkar peralatan dan sistem yang terletak di gedung reaktor dan di lokasi. Kemudian, rongga internal reaktor, poros reaktor, dan volume bangunan tempat bangunan reaktor akan diisi dengan bahan penyerap dan kedap air sampai nol, mis. ke permukaan bumi. Setelah itu, penghalang tambahan dalam bentuk pelat pelindung kedap udara atas akan dibuat di atas poros reaktor.

Alih-alih kesimpulan

Reaktor uranium-grafit industri yang menyediakan USSR dengan plutonium yang dibutuhkan untuk senjata nuklir meletakkan dasar bagi penggunaan energi atom secara damai di pembangkit listrik tenaga nuklir generasi pertama dan untuk meluncurkan serangkaian besar pembangkit listrik tenaga nuklir dengan reaktor RBMK, yang masih merupakan hampir setengah dari seluruh listrik atom di Rusia. Dengan cara yang sama, setelah pekerjaan mereka berakhir, PUGR akan menjadi tempat pengujian untuk pengembangan teknologi manajemen grafit iradiasi yang diperlukan untuk menonaktifkan pembangkit listrik tenaga nuklir dengan reaktor uranium-grafit.

PS: Kebetulan suatu hari di salah satu fasilitas nuklir di Wilayah Sverdlovsk (saya akan menulis posting terpisah tentang hal itu) saya bertemu spesialis dari SpetsAtomService, yang akan segera bekerja untuk menonaktifkan PUGR lain di SCC. Kebetulan lucu kadang terjadi.

Sumber:

1. Kronik Rosatom. Sejarah reaktor.
2. Masalah warisan nuklir dan cara untuk menyelesaikannya. Volume 1
3. Pengalaman mendekomisioning PUGR NERAKA dengan metode “pemakaman di tempat”
4. Lima reaktor yang memproduksi plutonium tingkat senjata di Mayak PA direncanakan akan dimakamkan di lokasi
5. Solusi teknis, teknologi, dan pengalaman JSC "UDC UGR" pada dekomisioning pembangkit listrik tenaga nuklir