Reatores industriais de urânio-grafite para produção de plutônio

Falando em reatores nucleares, na maioria das vezes imaginamos um reator de usina nuclear. Sua tarefa é gerar calor a partir de combustível nuclear, que é então convertido em eletricidade. Mas há um número bastante grande de reatores operando para outros fins. Eles são usados ​​para pesquisa, para a produção de isótopos úteis, incluindo para fins médicos, como fonte de energia para navios civis e navios de guerra. Mas os primeiros reatores nucleares poderosos começaram a ser construídos nos anos 40 para uma tarefa importante na época - a produção de plutônio para armas, o preenchimento de armas atômicas. Eles foram chamados industriais. E é precisamente a história deles e o estado atual do nosso país que esse artigo é dedicado.


Reator industrial de urânio-grafite ADE-2

Um reator nuclear é um dispositivo no qual ocorre uma reação em cadeia controlada da fissão de núcleos pesados ​​(por exemplo, urânio ou plutônio). Nesse caso, ocorre um grande número de outras reações nucleares que podem ser usadas para várias tarefas. Quando, no início dos anos 40, os físicos começaram a procurar materiais físseis mais adequados para a criação de uma bomba nuclear, descobriu-se que o urânio enriquecido e o elemento artificial do plutônio, que não existe na natureza, são adequados para seu papel. Como resultado, as duas opções foram implementadas. As bombas lançadas em Hiroshima e Nagasaki foram protótipos desses dois tipos diferentes - de urânio enriquecido e plutônio. Como resultado, o plutônio, por várias razões, parecia mais preferível usar. Mas, para obtê-lo, é necessário construir reatores nos quais o urânio será irradiado com nêutrons e convertido em plutônio e, em seguida, descarregar o combustível e processá-lo (esse processo levou na época à formação de uma grande quantidade de resíduos líquidos, como escrevi em um post anterior ) e separado de ele plutônio. Foi com esse objetivo que começaram a construir reatores industriais nos Estados Unidos, e depois na URSS, e ao lado deles plantas inteiras para processamento de combustível nuclear e separação de plutônio.

O primeiro reator industrial do mundo foi construído nos Estados Unidos como parte do Projeto Manhattan. Era o reator "B", lançado em setembro de 1944 na fábrica de Hanfor, onde foram construídos 9 reatores industriais. Como resultado, isso permitiu que os americanos realizassem a primeira explosão de bomba de plutônio nuclear em 16 de julho de 1945 (teste da Trindade) em um campo de treinamento no Novo México e, em seguida, uma explosão militar em 9 de agosto de 1945 em Nagasaki. Em Hiroshima, uma bomba de urânio foi detonada sem uma explosão de teste.

Na URSS, por analogia com a Handford Combine, a Mayak Combine (anteriormente planta nº 817) foi construída em Ozersk (anteriormente Chelyabinsk-40) na região de Chelyabinsk. Lá, o primeiro reator industrial "A" foi lançado em 1948. Foi ele quem deu plutônio para a primeira bomba nuclear soviética, cujo teste ocorreu em 29 de agosto de 1949.

Os projetos dos primeiros reatores industriais de produção de plutônio eram aproximadamente semelhantes. Estes são reatores de nêutrons térmicos de canal com um moderador de grafite e um resfriamento de água único. O próprio núcleo do reator (o espaço onde ocorre a reação em cadeia) foi coletado da grafite, que atuava como um moderador de nêutrons. A desaceleração dos nêutrons na grafite tornou possível o uso de urânio natural e não enriquecido como combustível. Isso simplificou bastante e acelerou a produção de plutônio. Na alvenaria de grafite do reator, foram perfurados canais nos quais o combustível era carregado na forma de cilindros de bloco de metal de urânio. A água foi fornecida por esses canais para resfriamento, A fissão de urânio gerou muito calor. Blocos com combustível foram carregados em um lado do canal, irradiados no reator, o plutônio foi formado neles (alguns por cento do urânio carregado), e depois de um tempo foram descarregados no outro lado do canal e foram reprocessados ​​- dissolvendo e liberando o plutônio por métodos químicos. Os reatores deste projeto e finalidade na URSS foram chamados PUGRs - reatores industriais de urânio-grafite.

A principal e marcante diferença entre os PUGRs nos EUA e na URSS era que os americanos tinham canais horizontais e os nossos eram verticais. Apesar do fato de que, em muitos aspectos, estávamos alcançando os americanos e seguindo o rastro de economia de tempo, essa opção parecia aos desenvolvedores soviéticos mais lucrativa devido à solução de vários problemas com a irregularidade do fluxo de calor.


O primeiro reator industrial B do mundo em Hanford, EUA. Você pode ver o painel frontal com canais horizontais onde foi carregado combustível novo. Fonte


Esquema de alvenaria de grafite na zona ativa do PUGR soviético. O tamanho do cilindro é de cerca de 9 m de diâmetro e o mesmo de altura.

Assim, o reator atuou como transportador para a irradiação e formação de plutônio a partir de urânio natural - era uma maneira muito simples, mas eficaz, de produzir explosivos para bombas. É verdade que, neste caso, o reator teve que ser resfriado com água, que deve ser levada a algum lugar e depois (muitas vezes contaminada com radionuclídeos do combustível) drenada, e quando o plutônio foi separado em usinas radioquímicas, uma grande quantidade de resíduos radioativos líquidos foi gerada. Mas foi o tempo em que a principal tarefa foi resolvida antes de tudo - a criação de armas. Infelizmente, os problemas com o lixo foram adiados para mais tarde e estabeleceram as bases para muitas conseqüências ambientais, agora chamadas de legado nuclear.
Três usinas foram construídas na URSS para a produção de plutônio para armas - PA Mayak (Ozersk, região de Chelyabinsk), SCC (Seversk, região de Tomsk) e a fábrica química do estado (Zheleznogorsk, território de Krasnoyarsk). No total, 13 PUGRs foram colocados em operação entre 1948 e 1965.

Os primeiros reatores em PO Mayak

O primogênito e o maior local industrial do complexo nuclear da URSS é a Associação de Produção Mayak (Associação de Produção Mayak, antiga planta nº 817, quarenta), localizada em Ozersk (antiga Chelyabinsk-40) na região de Chelyabinsk e está em operação desde 1948. Em 8 de junho de 1948, o primeiro reator industrial de urânio-grafite A (Annushka) no país foi lançado na FSUE Mayak PA.

Em agosto de 1946, o projeto foi aprovado e a construção do reator começou. Com uma mecanização mínima, nas condições de um inverno rigoroso do Ural, na primavera de 1947, o trabalho mais difícil do solo foi realizado no local da construção da fábrica - um poço de escavação de 80 por 80 metros e uma profundidade de 53 m foram escavados. No total, foram escavados 157 mil metros cúbicos de solo. Na etapa final da escavação do solo rochoso, 11 mil escavadeiras foram empregadas.


A construção do primeiro reator "A". Fonte

O núcleo cilíndrico do reator tinha 9,2 m de diâmetro e 9,2 m de altura, e as colunas de grafite eram constituídas por blocos de 600 mm com seção quadrada de 200x200 mm e orifício central de 44 mm de diâmetro. A alvenaria de grafite foi perfurada verticalmente por 1200 tubos de alumínio de parede fina com uma espessura de parede de 1 mm, através da qual a água fluía e em que blocos de urânio (diâmetro 35 mm, altura 100 mm) com uma concha de liga de alumínio foram localizados. Cada canal carregou 74 blocos. Na parte inferior dos tubos, eles repousavam contra um dispositivo de descarga que, se necessário, poderia emitir um bloco de qualquer tubo vertical. Sob seu próprio peso, os blocos caíram na água e caíram no poço de sobrecarga. Então eles entraram na galeria de transporte, onde foram armazenados sob uma camada de água por 2 meses, após os quais foram processados.


Reator Hall A na Associação de Produção de Mayak. ( Fonte )

Em 8 de junho de 1948, Kurchatov lançou pessoalmente o reator fisicamente, com uma carga de cerca de 75 toneladas de urânio. E pouco menos de um ano depois, em 29 de agosto de 1949, a primeira bomba atômica da URSS a partir de plutônio obtida no reator foi testada no local de teste de Semipalatinsk. Segundo o projeto, o primeiro reator industrial “A” deveria funcionar por 3 anos, mas funcionou por 39 anos - até 1987. Leia mais sobre o reator "A" aqui .

No total, ao longo dos anos em que a empresa existe, dez reatores industriais estão operando na Associação de Produção Mayak, dois dos quais estão atualmente em operação. Entre eles, 5 reatores industriais de urânio-grafite - A, AI, AV-1, AV-2 e AV-3, foram comissionados de 1948 a 1952. Sua vida útil inicial foi curta, mas eles trabalharam por mais de 30 anos, modernizando durante grandes reparos. Eles foram interrompidos no período de 1987 a 1990 e, desde então, estão em andamento trabalhos para desativação.

Pressão arterial subterrânea na Mineração e Combinação Química.

Planta de mineração e química, a terceira planta de produção de plutônio na URSS, uma empresa única localizada no subsolo em uma massa rochosa. No local do FSUE "MCC" em Zheleznogorsk, perto de Krasnoyarsk, existem três PUGRs - AD, ADE-1 e ADE-2. Juntamente com equipamentos auxiliares e comunicações, eles estão localizados nas minas rochosas - em minas revestidas com concreto monolítico. De acordo com o projeto, os reatores deveriam estar localizados em solo rochoso a uma profundidade de cerca de 200 m em trabalhos transversais de 8 a 18 m de largura, 60 a 80 m de comprimento e 5-30 m de altura.


Trem elétrico para o moinho subterrâneo da Mineração e Combinação Química. Fonte

O PUGR AD era um reator de fluxo de uso único com nêutrons térmicos. Trabalhou de 1958 a 1992. Este reator não apenas teve duas vezes mais produtividade de plutônio que seus antecessores, como também seu design e potência específica tornaram possível elevar a temperatura da água de resfriamento na saída para o estado do fluido de trabalho da turbina. Na verdade, era um projeto de reator de potência.


Desligamento do reator ADE-2 na MCC em 15 de abril de 2010 ( Fonte )

O ADE-1 foi projetado como um reator de energia, mas operado como um reator de fluxo único de 20 de julho de 1961. Interrompido para desativação em 29 de setembro de 1992. O ADE-2 opera em modo de dupla finalidade desde 1964 (plutônio + eletricidade) e foi interrompido para desativação em 15 de abril de 2010.

A primeira usina nuclear da Siberian Chemical Plant

No período de 1953 a 1964, nos locais da Fábrica Química Siberiana na cidade de Seversk (região de Tomsk), I-1, EI-2, ADE-3, ADE-4, ADE-5 PUGRs foram construídos e colocados em operação. O reator I-1 destinava-se exclusivamente à produção de plutônio para armas, os demais reatores combinavam as funções de produzir plutônio e gerar eletricidade. Pela primeira vez no mundo, o reator EI-2 combinou essas funções. Com o comissionamento deste reator em 1958, foi lançada a primeira etapa da usina nuclear da Sibéria, com capacidade de 100 MW, que se tornou a segunda estação nuclear na URSS após Obninsk, comissionada 4 anos antes. Os reatores da série ADE, quando foram colocados em operação, aumentaram gradualmente a capacidade da central nuclear da Sibéria. Com o lançamento do ADE-5, a capacidade da estação foi de 600 MW.


A central nuclear da Sibéria na SCC é a primeira grande usina nuclear da URSS e a única usina nuclear da Sibéria.

Com base nos reatores ADE-4 e ADE-5, um sistema distante de suprimento de calor foi projetado e implementado. A cidade de Tomsk recebeu energia térmica barata devido ao uso de calor dos reatores ADE-4 e ADE-5. Os reatores forneceram 30 a 35% do calor necessário para aquecer o conjunto habitacional de Tomsk e mais de 50% para a cidade de Seversk e os locais industriais da planta. Em 2008, os últimos reatores nucleares industriais foram fechados em Seversk.

O legado dos reatores industriais

A experiência de trabalhar com reatores de urânio-grafite na URSS não apenas forneceu ao país excesso de material nuclear, que ainda é utilizado até como combustível para usinas nucleares convencionais, mas também abriu caminho para uma energia nuclear pacífica. O reator da primeira usina nuclear do mundo em Obninsk, inaugurada em 1954, a usina nuclear da Sibéria, as duas primeiras unidades da usina nuclear de Beloyarsk, todas as unidades da usina nuclear de Bilibino e uma série de reatores RBMK-1000 poderosos foram desenvolvidas com base na experiência na construção e operação de reatores de canal de urânio-grafite. Mas, além de ganhar experiência, desenvolvendo direções de energia, os PUGRs se tornaram fontes de muitos problemas ambientais. Avarias frequentes, despressurização de barras de combustível e falhas levaram à liberação de radionuclídeos no meio ambiente com água de resfriamento nos rios Yenisei e Tom. A redistribuição radioquímica de combustível durante o isolamento de um produto valioso, o plutônio, levou à formação da maior parte do legado nuclear da URSS - reservatórios de resíduos radioativos líquidos na forma da cascata Techen em reservatórios, lagos Karachay e Staroe Bolot em Mayak PA, estratos de armazenamento subterrâneo na SCC e MCC.


Os reatores RBMK-1000 operando nas centrais nucleares de Leningrado, Smolensk e Kursk são o desenvolvimento conceitual dos produtores industriais de plutônio de urânio-grafite. Somente o plutônio não era mais extraído do combustível.

Descomissionamento

Em 1991, os Estados Unidos e a Rússia assinaram um acordo sobre o desligamento final de reatores de plutônio para armas. Até o momento, todos os PUGRs na Rússia foram interrompidos e estão em algum estágio de desativação.

Como parte do programa alvo federal do Programa Alvo Federal YaRB-1 (2008-2015), a preparação foi realizada e a primeira e única operação foi realizada para desmontar e preservar o PUGR no local. Em 2010, com base no SCC, foi formado o "Centro de Demonstração Experimental para o Desmantelamento de Reatores Nucleares de Urânio-Grafite" (UDC UGR). Em setembro de 2015, a UDC UGR concluiu a operação de desativação final do reator EI-2. Agora é essencialmente uma colina. Foram utilizados mais de 100 mil m3 de materiais isolantes à base de argilas locais. O resultado do trabalho: materiais nucleares foram removidos, parte do solo e instalações de armazenamento não projetadas foram liquidadas. Alvenaria de grafite é mothballed.


Vista esquemática do reator EI-2 no SCC antes (esquerda) e após (direita) conservação final.

O descomissionamento e o uso de naftalina do PUGR “no local” é atualmente considerado o conceito mais ideal, o que permite reduzir as cargas de pessoal durante o processo de descomissionamento, evitando o movimento de uma grande quantidade de materiais radioativos e criando instalações de armazenamento adicionais para resíduos radioativos. No entanto, nem todos os reatores podem ser enterrados dessa maneira. No âmbito do programa-alvo federal “Garantir a segurança nuclear e das radiações para 2016-2020 e para o período até 2030”, está planejado retirar adicionalmente e finalmente conservar 8 dos 13 PUGRs, além de resolver problemas relacionados ao descarte de grafite irradiado.


Uma placa memorial no fundo do gramado no local do descomissionamento do reator EI-2 no SCC. ( Fonte )

Atualmente, os reatores da Associação de Produção de Mayak estão se preparando para o descomissionamento “no local” a partir da experiência da SCC. Em 2018, foram realizadas discussões públicas sobre o projeto de desativação de cinco reatores industriais de urânio-grafite da planta. Como parte do próximo processo de descomissionamento, cada reator será descontaminado (se necessário), desmontado os equipamentos e sistemas localizados no prédio do reator e no local. Em seguida, as cavidades internas do reator, o eixo do reator e os volumes de construção das instalações do reator serão preenchidos com materiais de absorção e impermeabilização até zero, ou seja, para a superfície da terra. Depois disso, uma barreira adicional na forma de uma placa de proteção hermética superior será criada acima do eixo do reator.

Em vez de conclusões

Os reatores industriais de urânio-grafite que forneceram à URSS o plutônio necessário para armas nucleares lançaram as bases para o uso pacífico de energia atômica em usinas nucleares de primeira geração e para o lançamento de uma série em larga escala de usinas nucleares com reatores RBMK, que ainda representam quase metade de toda a eletricidade atômica na Rússia. Da mesma forma, após o término de seu trabalho, os PUGRs se tornarão um campo de testes para o desenvolvimento de tecnologias de gerenciamento de grafite irradiada necessárias para o descomissionamento de usinas nucleares com reatores de urânio-grafite.

PS: Aconteceu que outro dia, em uma das instalações nucleares da região de Sverdlovsk (escreverei um post separado), conheci especialistas da SpetsAtomService, que em breve trabalharão na desativação de outro PUGR na SCC. Às vezes acontecem coincidências engraçadas.

Fontes:

1. Crônica de Rosatom. História dos reatores.
2. Problemas do legado nuclear e maneiras de resolvê-los. Volume 1
3. Experiência em descomissionamento do PUGR HELL pelo método “enterro no local”
4. Cinco reatores que produzem plutônio para armas na Mayak PA estão planejados para serem enterrados no local
5. Soluções técnicas, tecnologias e experiência do JSC “UDC UGR” no descomissionamento de usinas nucleares