Chicago Woodpile-1

Chicago Pile-1 [ 1] CP-1 er verdens første velfungerende kunstige atomreaktor .  Det blev bygget i 1942 ved University of Chicago under ledelse af Enrico Fermi som en del af det arbejde, der senere blev grundlaget for Manhattan Project (den formelle implementering af Manhattan Project begyndte den 17. september 1943), for eksperimentelt at teste mulighed for en kontrolleret selvbærende nuklear kædereaktion og forberede skabelsen af ​​industrielle reaktorer til produktion af våbenkvalitetsplutonium . [2]

Konstruktion

Det anvendte brændstof var naturligt (uberiget) uran i form af komprimerede oxider (ca. 33 tons UO 2 og ca. 3,7 tons U 3 O 8 ) og metalbarrer (med en samlet vægt på ca. 5,6 tons). [3] Grafit blev valgt som moderator baseret på det faktum, at det var det eneste materiale af den påkrævede renhed, tilgængeligt i store mængder (ca. 350 tons blev brugt i reaktoren).

Kernen blev lavet i form af stablede grafitblokke forstærket med en træramme. Blokkene i hvert andet lag havde hulrum, hvori atombrændsel var anbragt, og dannede et kubisk gitter med et trin på omkring 21 cm opnået i en lidt mindre størrelse, så toppen af ​​kuglen blev "fladet ud", og den samlede højde var lidt mindre end 6 m.

Reaktionen blev styret af mekanisk bevægelse af neutronabsorberende stænger lavet af cadmium og borstål . Der var tre typer:

• Regulering, styret fra fjernbetjeningen i manuel og automatisk tilstand.
• Nødbeskyttelsesstang. I udtrukket tilstand blev den hængt i et reb, der kunne skæres over i tilfælde af uforudsete omstændigheder - stangen faldt ned i reaktoren og klemte den. [5]
• En stang trukket ud manuelt ("zip") for at bringe reaktoren til en kritisk tilstand.

Den maksimale neutronavlsfaktor var kun lidt større end enheden (1,0006), så selv med helt fjernede absorbere steg effekten ret langsomt, og fordobledes omkring hvert minut [6] , hvilket gjorde det nemt at opretholde en konstant effekt selv med fuld manuel styring .

Reaktoren havde ikke kølesystem og biologisk beskyttelse, så den kunne kun fungere i kort tid og ved meget lav effekt.

Baggrund

For at skabe en atombombe var det nødvendigt at skaffe tilstrækkelige mængder nukleart fissilt materiale. Lovende områder blev anerkendt som produktion af uran-235 ved at berige naturligt uran og produktion af plutonium-239 ved at bestråle naturligt uran-238 med neutroner. Begge veje var forbundet med alvorlige vanskeligheder og havde deres fordele og ulemper, så arbejdet langs dem udviklede sig parallelt.

At opnå plutonium krævede enorme neutronfluxer, som kun kunne opnås relativt let med en selvbærende kernekædereaktion. I 1939 fremsatte Leo Szilard og Fermi ideen om, at en sådan reaktion kunne opnås ved at placere urankerner i en moderatormatrix [7] . For at studere reaktorer på uran-grafit-gitre i 1941 blev et laboratorium med kodenavnet " Metallurgical " oprettet ved University of Chicago , ledet af Arthur Compton . [fire]

Mange kendte fysikere og kemikere er kommet med i laboratoriet. Forsøgsgruppen ledet af Fermi beskæftigede sig hovedsageligt med selve kernekædereaktionen, den kemiske afdeling med plutoniumkemi og separationsmetoder, den teoretiske gruppe ledet af Wigner med  udviklingen af ​​industrielle reaktorer, dog på grund af det tætte forhold mellem videnskabelige og tekniske spørgsmål , kunne opgaver omfordeles mellem grupper.

Beregningen af ​​de optimale parametre for den fremtidige reaktor krævede både en nøjagtig bestemmelse af anvendte mængder såsom neutronmultiplikationsfaktoren og målinger af egenskaberne af specifikke prøver af materialer beregnet til konstruktionen af ​​reaktoren. Til disse formål blev der oprettet flere dusin subkritiske samlinger med yderligere neutronkilder. Da metallisk uran af tilstrækkelig renhed først blev opnået i november 1942, blev der udført eksperimenter med presset uranoxid.

I juli var eksperimenter med subkritiske samlinger nået tilstrækkeligt frem til at begynde udviklingen af ​​en reaktor med en kritisk masse.

De første estimater af kernens kritiske størrelse blev overvurderet, så reaktorens design inkluderede en skal, hvorfra luft kunne evakueres for at reducere neutronabsorptionen. Den blev fremstillet på Goodyears ballonskalfabrik (på grund af projektets hemmelige karakter blev dens sande formål skjult, hvilket forårsagede en masse vittigheder om den "firkantede ballon" der) .

I november var beklædningen med den ene åben side hængt over stedet, og samlingen af ​​reaktoren begyndte med lagdeling af grafitblokke og uranoxidbriketter (kun sparsomt metallisk uran blev brugt i den centrale del af reaktoren). Hvert lag blev forstærket med træbjælker. Lagenes form og størrelse ændrede sig med højden, hvilket gav hele strukturen en tilnærmelsesvis sfærisk form. To hold af "byggere" (det ene ledet af Walter H. Zinn, det andet af Herbert L. Anderson) arbejdede næsten døgnet rundt. V. Wilson (Volney C. Wilson) overvågede arbejdet med kontrol- og måleudstyr.

De fleste "byggematerialer" blev lavet direkte på stedet, i nabolokaler. Pulveriseret uranoxid blev presset til briketter ved hjælp af en hydraulisk presse. Grafitblokke blev skåret ved hjælp af konventionelle træbearbejdningsmaskiner. Ifølge deltagernes erindringer lignede de på grund af den store mængde sort støv, der blev genereret, meget minearbejdere efter deres skift.

Efter hvert lag var lagt, blev de absorberende stænger forsigtigt fjernet, og neutronparametrene blev målt. Ved omkring det 50. lag ud af 75 planlagte blev det klart, at kritikalitet kunne opnås selv med en lidt mindre kernestørrelse end antaget i de indledende beregninger. Følgelig blev antallet og størrelsen af ​​efterfølgende lag reduceret.

Den 1. december viste målinger, at størrelsen af ​​den samlede reaktor nærmede sig kritisk. Ved udgangen af ​​dagen, efter at have lagt det 57. lag, tog Zinn og Anderson en række aktivitetsmålinger, der fik dem til at konkludere, at en selvopretholdende atomreaktion kunne udvikle sig i reaktoren, når kontrolstængerne blev fjernet. Det blev dog besluttet at udskyde alt videre arbejde til dagen efter, hvor Fermi og andre deltagere dukker op på siden.

Eksperiment

Den 2. december 1942 fandt det første eksperiment med at nå en superkritisk tilstand med udviklingen af ​​en selvbærende nuklear kædereaktion sted.

09:35 blev sikkerhedsstangen fjernet, og omhyggelige målinger af neutronfluxens afhængighed af kontrolstængernes positioner begyndte, mens de stadig var i en subkritisk tilstand. Tættere på middag virkede nødsikringssystemet , som viste sig at være sat for lavt.

Efter en frokostpause blev forsøget fortsat. En registrering af neutronfluxintensiteten fra en automatisk optager med billedtekster om stængernes position er vist på figuren. (Skarpe spring i grafen er forårsaget af skiftende følsomhedsområder.) I begyndelsen kan man se en karakteristisk eksponentiel tilgang til ligevægtsintensitetsniveauet for hver position af den absorberende stang i reaktorens subkritiske tilstand. Jo mere stangen fjernes, jo tættere er reaktoren på den kritiske tilstand, og følgelig jo højere ligevægtsintensitet. Til sidst, fra 15:36, er en eksponentiel stigning i intensiteten tydeligt synlig, svarende til en stigende kædereaktion i den superkritiske reaktor. Fra 15:53 ​​ses et kraftigt fald i intensiteten - reaktoren blev dæmpet af et automatisk system.

Den maksimale effekt i dette eksperiment var kun omkring en halv watt , men selve muligheden for en kontrolleret selvopretholdende reaktion blev overbevisende demonstreret.

Den 12. december kørte reaktoren i 35 minutter. ved en effekt på omkring 200 watt. I dette tilfælde var strålingsbaggrunden 3  R /h direkte nær reaktoren og omkring 360 mR/h i de fjerne hjørner af hallen.

Yderligere skæbne

I februar 1943 blev reaktoren demonteret, og dele blev transporteret til det fremtidige Argonne-laboratorium , hvor de blev brugt til at samle CP-2-reaktoren.

Små stykker grafit fra den første reaktor er udstillet på Chicagos Museum of Science and Industry og Los Alamos National Laboratorys Bradbury Science Museum

En videnskabelig artikel om reaktoren [3] blev offentliggjort i American Journal of Physics kun 10 år senere, i 1952, efter at hemmeligholdelsen var ophævet. I 1955 fik Fermi og Szilard amerikansk patent nr. 2708656 for en "neutronreaktor" (ansøgningen blev indgivet så tidligt som i 1944).

Stedet, hvor CP-1 blev bygget, er opført som et historisk vartegn i USA og Chicago. I 1967, på 25-årsdagen for implementeringen af ​​den første atomkædereaktion, blev der rejst et monument til "Kerneenergi" på den .

Noter

1. ↑ Det engelske ord "bunke" betyder "stak", "træstabel" (også enhver "dynge"). Dette navn blev givet til den første reaktor på grund af dens ret håndværksmæssige design (se nedenfor). Udtrykket sad dog fast og blev brugt på engelsk til at henvise til atomreaktorer ("atompæl") indtil 1950'erne.
2. ↑ Teoretiske beregninger, bakket op af eksperimenter på subkritiske samlinger, forudsagde et positivt resultat ganske sikkert, så udviklingen af ​​industrielle reaktorer begyndte allerede før konstruktionen af ​​CP-1 var afsluttet.
3. ↑ 1 2 3 Fermi, 1952 .
4. ↑ 12 DOE , 1982 .
5. ↑ En sådan beskrivelse er givet i brochuren [4] . Der nævnes også, at der som en ekstra sikkerhedsforanstaltning stod tre personer over reaktoren, klar i tilfælde af svigt af de mekaniske systemer, til at fylde reaktoren med en opløsning af cadmiumsalt. Artiklen af ​​Fermi selv [3] , som ifølge ham kun er en let revideret udgave af den originale rapport, beskriver imidlertid den elektromagnetiske ophængning af nødstangen og er tavs om oversvømmelser. Det er værd at bemærke, at reaktoren blev samlet af ret tæt monterede blokke og oprindeligt skulle arbejde i en hermetisk forseglet kasse (se nedenfor), så versionen af ​​manuel påfyldning ser ikke særlig plausibel ud.
6. ↑ En så stor tidskonstant bestemmes af bidraget fra forsinkede neutroner . Den øjeblikkelige multiplikationsfaktor var mindre end én.
7. ↑ Når en urankerne absorberer en neutron, deler den sig og udsender flere sekundære neutroner. Disse sekundære neutroner har dog ret høj kinetisk energi og fører ikke til effektiv fission af andre urankerner. At bremse sekundære neutroner, for eksempel ved kollisioner med nogle lette kerner, kan øge effektiviteten af ​​kædereaktionen betydeligt.

Litteratur

• Enrico Fermi. Eksperimentel produktion af en divergent kædereaktion  (engelsk)  // American Journal of Physics. - 1952. - Bd. 20. - S. 536.  (utilgængeligt link)
• Den første reaktor . — US Department of Energy, 1982. Arkiveret 16. oktober 2011 på Wayback Machine

Se også

• F-1  - den første atomreaktor i USSR og Europa, 1946