Wässrige homogene Reaktoren (AHR) sind eine Art Kernreaktor, in dem lösliche Kernsalze (üblicherweise Uransulfat oder Urannitrat) in Wasser gelöst werden. Der Brennstoff wird mit dem Kühlmittel und dem Moderator vermischt, daher der Name "homogen" ("im selben Aggregatzustand"). Das Wasser kann entweder schweres Wasser oder gewöhnliches (leichtes) Wasser sein, die beide sehr rein sein müssen.
Ihre selbststeuernden Eigenschaften und die Fähigkeit, sehr große Reaktivitätssteigerungen zu bewältigen, machen sie unter Reaktoren einzigartig und möglicherweise sicherer. In Santa Susana, Kalifornien, führte Atomics International eine Reihe von Tests mit dem Titel The Kinetic Energy Experiments durch. In den späten 1940er Jahren wurden Steuerstangen mit Federn belastet und dann in Millisekunden aus dem Reaktor geschleudert. Die Reaktorleistung stieg von ~ 100 Watt auf über ~ 1.000.000 Watt an, ohne dass Probleme beobachtet wurden.
Wässrige homogene Reaktoren wurden manchmal als "Wasserkocher" bezeichnet (nicht zu verwechseln mit Siedewasserreaktoren), da das Wasser im Innern zu kochen scheint, obwohl das Sprudeln tatsächlich auf die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Strahlungs- und Spaltpartikel zurückzuführen ist dissoziiert das Wasser in seine Gase, ein Vorgang, der Radiolyse genannt wird. AHRs wurden weithin als Forschungsreaktoren eingesetzt, da sie selbstkontrollierend sind, sehr hohe Neutronenflüsse haben und leicht zu handhaben sind. Bis April 2006 arbeiteten nur fünf AHRs gemäß der Research Reactor-Datenbank. [1]
Korrosionsprobleme, die mit Lösungen auf Sulfatbasis verbunden sind, schränkten ihre Anwendung als Züchter von Uran-233-Brennstoffen aus Thorium ein. Gegenwärtige Konstruktionen verwenden Lösungen auf Salpetersäurebasis (z. B. Uranylnitrat), wodurch die meisten dieser Probleme in rostfreien Stählen beseitigt werden.
Geschichte [ edit ]
Erste Studien zu homogenen Reaktoren fanden gegen Ende des Zweiten Weltkriegs statt. Es schmerzt Chemiker, präzise hergestellte Festbrennstoffelemente heterogener Reaktoren zu sehen, die schließlich in Säuren aufgelöst wurden, um Spaltprodukte zu entfernen - die "Asche" einer Kernreaktion. Chemieingenieure hofften, Flüssigbrennstoffreaktoren zu entwickeln, die auf die kostspielige Zerstörung und Verarbeitung von festen Brennelementen verzichten würden. Die Bildung von Gasblasen in flüssigen Brennstoffen und der korrosive Angriff auf Materialien (in Lösungen auf Uranylsulfatbasis) stellten jedoch gewaltige Herausforderungen hinsichtlich Design und Materialien.
Enrico Fermi setzte sich in Los Alamos für den Bau des dritten Reaktors der Welt, des ersten homogenen Flüssigbrennstoffreaktors und des ersten Reaktors ein, der mit Uran 235 angereichertem Uran betrieben werden sollte. Schließlich wurden drei Versionen gebaut, die alle auf demselben Konzept basierten. Aus Sicherheitsgründen erhielten diese Reaktoren den Codenamen "Wasserkocher". Der Name war angemessen, da die Brennstofflösung in den Versionen mit höherer Leistung zu kochen schien, da sich Wasserstoff- und Sauerstoffblasen durch Zersetzung des Wasserlösungsmittels durch die energetischen Spaltprodukte bildeten. Dieser Vorgang wird als Radiolyse bezeichnet.
Der Reaktor wurde LOPO (für geringe Leistung) genannt, weil seine Leistungsabgabe praktisch Null war. LOPO erfüllte die vorgesehenen Zwecke: Bestimmung der kritischen Masse einer einfachen Brennstoffkonfiguration und Prüfung eines neuen Reaktorkonzepts. LOPO erreichte die Kritikalität im Mai 1944 nach einer letzten Zugabe von angereichertem Uran. Enrico Fermi selbst war an den Kontrollen. LOPO wurde demontiert, um Platz für einen zweiten Wasserkocher zu schaffen, der mit einer Leistung von bis zu 5,5 Kilowatt betrieben werden konnte. HYPO (für hohe Leistung) benannt, verwendete diese Version eine Lösung von Uranylnitrat als Brennstoff, während das frühere Gerät angereichertes Uranylsulfat verwendet hatte. Dieser Reaktor wurde im Dezember 1944 in Betrieb genommen. Viele der wichtigsten Neutronenmessungen, die zur Konstruktion der frühen Atombomben erforderlich waren, wurden mit HYPO durchgeführt. Um 1950 waren höhere Neutronenflüsse erwünscht. Folglich wurden umfangreiche Änderungen an HYPO vorgenommen, um den Betrieb bei Leistungen bis zu 35 Kilowatt zu ermöglichen. Dieser Reaktor wurde natürlich SUPO genannt. SUPO wurde fast täglich bis zu seiner Deaktivierung 1974 betrieben.
1952 wurden in Los Alamos zwei Sätze kritischer Experimente mit Lösungen von angereichertem Uran als Uranylfluorid durchgeführt, um eine Idee von Edward Teller über das Waffendesign zu untermauern. Als die Experimente abgeschlossen waren, hatte Teller das Interesse verloren, die Ergebnisse wurden jedoch zur Verbesserung der früheren Reaktoren verwendet. In einer Versuchsreihe befand sich die Lösung in Tanks mit einem Durchmesser von 640 und 760 mm (25 und 30 Zoll) ohne umgebenden Reflektor. Die Lösungshöhen wurden mit D 2 O-Lösungen bei D / 235 U-Atomverhältnissen von 1: 230 und 1: 419 im kleineren Tank und 1: 856 bis 1: 2081 an die Kritikalität angepasst im größeren Tank. In der anderen Gruppe von Experimenten wurden Lösungskugeln in einem kugelförmigen Behälter mit einem Durchmesser von 35 Inch (890 mm) zentriert, in den D 2 O aus einem Reservoir an der Basis gepumpt wurde. Kritikalität wurde in sechs Lösungskugeln von 13,5 bis 18,5 Zoll Durchmesser bei D / 235 U-Atomverhältnissen von 1:34 bis 1: 431 erreicht. Nach Abschluss des Experiments wurde auch diese Ausrüstung stillgelegt.
Experiment mit homogenen Reaktoren [ edit ]
Der erste wässrige homogene Reaktor, der am Oak Ridge National Laboratory gebaut wurde, wurde im Oktober 1952 kritisch beurteilt Im Februar 1953 wurde eine Leistung von einem Megawatt (MW) erreicht. Der Hochdruckdampf des Reaktors drehte eine kleine Turbine, die 150 Kilowatt (kW) Strom erzeugte. Diese Leistung brachte den Betreibern den Ehrentitel "Oak Ridge Power Company" ein. Die AEC hat sich jedoch der Entwicklung von mit Wasser gekühlten Festbrennstoffreaktoren verschrieben und die Labordemonstrationen anderer Reaktortypen, ungeachtet ihres Erfolgs, änderten ihren Kurs nicht.
KEMA Suspensie Test Reactor [ edit ]
Von 1974 bis 1979 war die KEMA ( K eure van E [19459209] E [19459209] E l aterialen A (rnhem) betrieb einen wässrigen homogenen Reaktor namens KEMA Suspensie Test Reactor (KSTR) an ihrem Standort in Arnhem in den Niederlanden. Der Reaktor wurde aufgrund seiner Erfahrungen mit dem homogenen Reaktorexperiment in Zusammenarbeit mit Experten des ORNL (Oak Ridge National Laboratory) gebaut. Der Reaktor bestand aus einem Reaktorbehälter (Ø 310 mm, Inhalt 18,3 Liter), hergestellt von Werkspoor in Utrecht. Der Brennstoff war ein Gemisch aus 14% UO 2 (stark angereichert, 90% 235 U) und 86% ThO 2 in einer Konzentration von 400 g / l . Das Uran (6766 Gramm, enthaltend 6082 Gramm 235 U) wurde von NUKEM geliefert. Die Brennstoffkörner (ø 5 μm) wurden von KEMA in einem einzigartigen sogenannten Sol-Gel-Verfahren entwickelt, das auch die Aufmerksamkeit der Industrie auf sich zog. Der Reaktor arbeitete bei einer Temperatur von 255 ° C (491 ° F; 528 K), einem Druck von 60 bar (6.000 kPa) und einer maximalen Leistung von 1.000 kW (1.300 PS).
Der ARGUS-Reaktor [ edit ]
Im Kurchatov-Institut in Russland auf der Grundlage des ARGUS werden umweltfreundliche und wirtschaftlich wettbewerbsfähige Techniken der Produktion radioaktiver Isotope entwickelt Reaktor - ein wässriger homogener Minireaktor. Ein weiterer Reaktor wurde in Dushanbe, die tadschikische SSR, gebaut, ging jedoch wegen des Zusammenbruchs der Sowjetunion nicht in Produktion. Im Jahr 2017 begann die tadschikische Regierung mit der Rekonstruktion und Fixierung des [2] -Reaktors, um vor allem Isotop-Molybdän-99 herzustellen.
Der Reaktor des Kurchatov-Instituts mit einer thermischen Ausgangsleistung von 20 kW ist seit 1981 in Betrieb und weist hohe Effizienz- und Sicherheitsindizes auf. Derzeit laufen Machbarkeitsstudien zur Entwicklung von Techniken für die Strontium-89- und Molybdän-99-Produktion in diesem Reaktor. Eine Analyse der produzierten Isotope am Nationalen Institut für Radioaktive Elemente in Belgien hat gezeigt, dass die bei ARGUS hergestellten Mo-99-Proben durch eine extrem radiochemische Reinheit gekennzeichnet sind, dh der Gehalt an Verunreinigungen in ihnen liegt unter den zulässigen Grenzwerten 2–4 Größenordnungen. Unter den radioaktiven medizinischen Isotopen sind Mo-99 und Sr-89 weit verbreitet. Der erste ist ein Rohstoff für die Herstellung von Technetium-99m, ein radiopharmazeutisches Präparat für die Diagnostik onkologischer, kardiologischer und urologischer und anderer Erkrankungen. In Europa werden jedes Jahr mehr als 6 Millionen Menschen mit diesem Isotop untersucht.
Tc-99m-Produktion [ edit ]
Die Fähigkeit, medizinische Isotope direkt aus Inline-Brennstoff zu extrahieren, hat aufgrund dieser Konstruktion ein neues Interesse an wässrigen homogenen Reaktoren geweckt. Babcock & Wilcox hat einen wässrigen homogenen Reaktor für die Herstellung von Tc-99m vorgeschlagen. [4]
Andere Untersuchungen [ ]
Die Verwendung eines wässrigen homogenen Kernspaltungsreaktors für die gleichzeitige Wasserstoffproduktion durch Die Wasserradiolyse- und Prozesswärmeproduktion wurde 1975 an der University of Michigan in Ann Arbor untersucht. Mehrere kleine Forschungsprojekte setzen diese Forschungslinie in Europa fort.
Atomics International entwarf und baute eine Reihe von Kernreaktoren mit niedriger Leistung (5 bis 50.000 Watt) für Forschungs-, Schulungs- und Isotopenproduktionszwecke. Ein Reaktormodell, der L-54, wurde von einer Reihe US-amerikanischer Universitäten und ausländischer Forschungseinrichtungen, einschließlich Japan, gekauft und installiert. [5]
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