Zestawy krytyczne i podkrytyczne
Osobną klasę reaktorów badawczych stanowią zestawy krytyczne i podkrytyczne. Są to układy składające się z paliwa jądrowego i moderatora, które w przypadku zestawów krytycznych osiągają stan krytyczny (czyli stan samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej rozszczepienia) tylko po wprowadzeniu dodatkowego, zewnętrznego źródła neutronów, a w przypadku układów podkrytycznych nie osiągają nigdy stanu krytycznego, nawet z zewnętrznym źródłem neutronów (mają za małą masę materiału rozszczepialnego). Zestawy krytyczne i podkrytyczne odegrały bardzo ważną rolę w rozwoju pokojowego wykorzystania energii jądrowej.
Zestawy krytyczne i podkrytyczne odgrywają w inżynierii i fizyce reaktorowej ogromną rolę, podobną jak tunel aerodynamiczny w badaniach lotniczych. Obydwa układy – krytyczny i podkrytyczny – składają się z materiału rozszczepialnego w pewnej konfiguracji oraz moderatora. W zestawie krytycznym masa paliwa jest taka, że pozwala osiągnąć stan krytyczny dopiero po wprowadzeniu źródła neutronów, przeciwnie do zestawu podkrytycznego, który nawet z dodatkowym źródłem neutronów nigdy nie osiągnie stanu krytycznego. Zestawy krytyczne pracują na bardzo małej mocy, osiągana w nich temperatura w zasadzie nie różni się od temperatury otoczenia. Dlatego często tę klasę reaktorów badawczych nazywamy reaktorami mocy zerowej. Generują na tyle mało ciepła, że do jego odprowadzenia wystarcza naturalna konwekcja wody lub powietrza.
Zestawy krytyczne i podkrytyczne, w pewnym stopniu, mogą być wykorzystywane do podobnych celów jak reaktory badawcze małej mocy, które opisano w rozdziale: →Badania naukowe i produkcja radioizotopów – reaktory badawcze, w tym do eksperymentów, neutronowej analizy aktywacyjnej, prac projektowych nowych reaktorów czy typów paliwa jądrowego, testów oprzyrządowania, walidacji kodów obliczeniowych i weryfikacji krytyczności materiałów rozszczepialnych, ale także szkolenia praktycznego w zakresie fizyki i techniki reaktorów jądrowych czy produkcji radioizotopów.
Polskie zestawy krytyczne i podkrytyczne
W latach 1961-1972 w Instytucie Badań Jądrowych (obecnie Narodowe Centrum Badań Jądrowych) w Świerku pod Warszawą zbudowano cztery zestawy krytyczne, zwane też reaktorami zerowej mocy, znane pod nazwami: ANNA, MARYLA, AGATA i P-ANNA. Obiekty te były głównymi narzędziami rozwoju fizyki reaktorów w Polsce w latach 60-tych i 70-tych i m.in. dostarczyły danych wejściowych niezbędnych do zaprojektowania i budowy reaktora badawczego MARIA. W trakcie eksploatacji zestawy były przebudowywane i powstawały ich kolejne wersje – P-ANNA (prędka-ANNA), MARYLA-1, MARYLA-2, AGA. Ponadto w 1963 roku skonstruowano zestaw podkrytyczny HELENA do weryfikacji niektórych metod pomiarowych w fizyce reaktorów oraz jako źródło neutronów do sprawdzania detektorów neutronów konstruowanych w Instytucie Badań Jądrowych.
Warto zwrócić uwagę na dwa zestawy krytyczne.
Zestaw krytyczny ANNA
Zestaw krytyczny ANNA to największy tzw. reaktor mocy zerowej, który powstał w Instytucie Badań Jądrowych. Stan krytyczny osiągnął w czerwcu 1963 roku, posiadał moderator grafitowo-wodny i moc nominalną 100 W. ANNA zbudowana została jako zestaw krytyczny projektowanego drugiego polskiego reaktora badawczego (MARII) w pierwotnie planowanym typie, tzn. reaktora opartego na konstrukcji radzieckiego reaktora RTF pracującego w Instytucie im. Kurczatowa w Moskwie. Ostatecznie reaktor MARIA został zbudowany na bazie radzieckiego reaktora MR. Zestaw krytyczny ANNA składał się rdzenia, dolnego i górnego reflektora oraz reflektora bocznego. Parametry zestawu:
- wysokość całego układu – 240,0 cm,
- średnica równoważna ośmiokątnego rdzenia – 137,5 cm,
- materiał paliwowy – dyspersja 38,5 wt% UO2 w aluminium, tzn. wagowo 38,5% stanowiły cząstki UO2 rozproszone w aluminium,
- wzbogacenie w U-235 – 21%,
- zawartość U-235 w 1 elemencie paliwowym – 250 g.
Rdzeń zestawu zbudowany był z 45 bloków grafitowych o przekroju 14×14 cm. W środku każdego bloku znajdował się kanał o średnicy 75 mm, do którego mogła być wprowadzona rura paliwowa. Jeżeli kanał nie zawierał rury paliwowej był wypełniany korkiem grafitowym. Używano grafitu tzw. klasy jądrowej o bardzo małej ilości zanieczyszczeń, a zwłaszcza boru, gdyż bor silnie pochłania neutrony. Część centralna była wykonana tak, aby mogła być wymieniana na zestawy o innych parametrach geometrycznych. W dokumentacji technicznej opisano 4 takie zestawy, na których prowadzono doświadczenia krytyczne. ANNA posiadała cztery systemy bezpieczeństwa, które stanowiły: 4 pręty bezpieczeństwa, otaczające centralny element paliwowy, 1 pręt sterujący, taki sam jak pręty bezpieczeństwa – możliwość natychmiastowego zrzutu, 2 ruchome elementy paliwowe wciągane za pomocą napędu z dolnego reflektora do rdzenia (służyły do dochodzenia do stanu krytycznego) – możliwość opuszczenia ich pod rdzeń oraz natychmiastowy zrzut wody ze wszystkich kanałów paliwowych. Na zestawie krytycznym prowadzono wiele doświadczeń i eksperymentów, głównie z dziedziny fizyki reaktorowej.
Na początku lat 70. korpus zestawu krytycznego ANNA wykorzystano do zbudowania zestawu prędko-termicznego P-ANNA, czyli prędka ANNA. Część środkową rdzenia wypełniono elementami paliwowymi z uranem naturalnym, umieszczonymi w ciasnej siatce (elementy paliwowe były umieszczone blisko siebie), bez moderatora, tzn. o twardym widmie neutronów (czyli z dużą ilością neutronów o wysokiej energii). Wykonano kilka doświadczeń krytycznych (czyli z doprowadzeniem zestawu do stanu krytycznego), jednak, ze względu na problem z uzyskaniem prędkiego widma neutronów w części centralnej rdzenia, dalszych prac zaniechano.
Zestaw krytyczny AGATA
Zestaw krytyczny AGATA uruchomiony został w 1972 roku, znajduje się tuż obok zestawu ANNA. AGATA była właściwym zestawem krytycznym dla drugiego polskiego reaktora doświadczalnego – MARIA. Zestaw zawierał wysokowzbogacone paliwo metaliczne, moderowany był berylem z reflektorem grafitowym. Zestaw AGATA zbudowany był z 15 bloków berylowych otoczonych reflektorem z bloków grafitowych. W każdym bloku berylowym był otwór na umieszczenie wielorurowego elementu paliwowego. Paliwo stanowiła dyspersja uranu w aluminium, były to 6–rurowe elementy paliwowe typu MR-6 w układzie Fielda z koszulkami aluminiowymi. Wzbogacenie w U-235 wynosiło 80%.
Warto wiedzieć!
Aż 222 reaktory badawcze są eksploatowane obecnie w 53 krajach na świecie, a 24
reaktory badawcze są w budowie w 17 krajach!