ROZDZIAŁY
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
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
Dział zatytułowany „Polskie zestawy krytyczne i podkrytyczne”W latach 1961-1972 w Instytucie Badań Jądrowych (obecnie Narodowe Centrum Badań Jądrowych) w Świerku pod Warszawą zbudowano
Warto zwrócić uwagę na dwa zestawy krytyczne.
Zestaw krytyczny ANNA
Dział zatytułowany „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 14x14 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
Dział zatytułowany „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 228 reaktory badawcze są eksploatowane obecnie w 54 krajach na świecie, a 23 reaktory badawcze są w budowie w 18 krajach!