Clementine (kärnreaktor)

Exteriör av Clementine

Clementine var kodnamnet för världens första snabbneutronreaktor, även känd som Los Alamos snabba plutoniumreaktor . Det var en reaktor i experimentell skala. Den maximala effekten var 25 kW och drevs av plutonium och kyldes med flytande kvicksilver . Clementine fanns på Los Alamos National Laboratory i Los Alamos, New Mexico . Clementine designades och byggdes 1945–1946 och uppnådde först kritik 1946 och full effekt i mars 1949. Reaktorn fick sitt namn efter låten " Oh My Darling, Clementine ." Likheterna med låten var att reaktorn var belägen i en djup kanjon och reaktoroperatörerna var 49'ers, eftersom 49 (sista siffrorna i element 94, isotop 239) var ett av kodnamnen för plutonium på den tiden.

Det primära målet för Clementine var att fastställa kärntekniska egenskaper hos material för kärnvapenforskning efter Manhattanprojektet . Ett antal andra experiment utfördes vid reaktorn, inklusive undersökning av genomförbarheten av civila uppfödningsreaktorer, och mätning av neutrontvärsnitt av olika material.

Kärndesign

Bränslestavsburen för kärnan av Clementine

Kärnan fanns i en 117 cm (46 tum) lång cylinder av mjukt stål som hade en innerdiameter på 15,2 cm (6,0 tum) och en vägg som var 0,6 cm (0,24 tum) tjock. Bränslepatronen var 15 cm (5,9 tum) i diameter 14 cm (5,5 tum) hög och innehöll 55 bränsleelement. Varje bränsleelement bestod av δ -fas plutonium-239 . De var vardera 1,64 cm (0,65 tum) i diameter och 14 cm (5,5 tum) långa. Bränsleelementen kläddes i 0,5 millimeter (0,020 tum) tjockt vanligt kolstål. Kärnan var placerad i botten av stålcylindern.

Kärnan kyldes med flytande kvicksilver . Den maximala termiska effekten var 25 kW. Kvicksilvret cirkulerades genom kärnan och ut till en kvicksilver-vattenvärmeväxlare med en maximal flödeshastighet på 0,15 liter per sekund (0,040 USgal/s) av en elektromagnetisk pump av induktionstyp utan rörliga delar .

Avskärmning och stödstruktur

Tvärsnittsdiagram genom Clementine

Reaktorhärden var inlindad i en serie neutronreflektorer och skärmande strukturer, som började med en 15 cm (6 tum) tjock cylindrisk filt av naturligt uran som omedelbart omgav härden. Denna filt var öppen upptill och nedtill och kunde flyttas upp och ner. Nästa var en 15,2 cm (6 tum) tjock stålreflektor och 10 cm (4 tum) bly. Slutligen var större delen av reaktorn omgiven av flera lamineringar av stål och borplast. Hela denna enhet var omgiven och stödd av ett tjockt betongskal som gav ytterligare avskärmning. Ett antal hål gick genom avskärmningen för att ge snabba neutroner till de olika fysikexperimenten .

Reaktorkontroll

Reaktorn var den första reaktorn som demonstrerade reaktionskontroll via kontroll av fördröjda neutroner , detta var mer en funktion av att vara en av de mycket tidiga reaktorerna, snarare än en speciell designfunktion. Kontrollen åstadkoms på flera sätt. Uranfilten som beskrivs ovan kunde höjas och sänkas. ²³⁸ U är en bra neutronreflektor , så filtens position styrde antalet neutroner tillgängliga för reaktionen. När filten höjdes reflekterades fler neutroner tillbaka in i kärnan, vilket orsakade ett större antal klyvningar och, följaktligen, större effekt.

Dessutom fanns det två avstängnings-/kontrollstavar sammansatta av naturligt uran och bor som anrikades i bor -10- isotopen. ^10B är ett mycket effektivt neutrongift som kan sättas in för att kontrollera och stänga av reaktionen.

Avstängning av reaktorn innebar att man samtidigt släppte uranfilten och förde in de två kontrollstavarna i mitten som absorberade neutroner och förgiftade reaktionen. Upp till 20 andra hål fanns tillgängliga i kärnan för experimentella konfigurationer eller ytterligare kontroll- eller bränslestavar.

Använd och stäng av

Clementine fungerade framgångsrikt från 1946 till 1950 när reaktorn stängdes av för att rätta till ett problem med kontroll- och mellanläggsstavarna. Under denna avstängning noterades att en av de naturliga uranstavarna hade spruckit. Den byttes ut och reaktorn startades om.

Den drevs återigen framgångsrikt fram till 1952 då beklädnaden på en av bränslestavarna sprack. Detta orsakade förorening av den primära kylslingan med plutonium och andra klyvningsprodukter . Vid denna tidpunkt beslutades att alla de primära målen för Clementine hade uppnåtts och reaktorn stängdes av permanent och demonterades.

Resultat av Clementine-experimentet

Erfarenheterna och uppgifterna från driften av Clementine-reaktorn var mycket användbara för både militära och civila tillämpningar. En av de anmärkningsvärda prestationerna i Clementine-projektet inkluderade mätningar för de totala neutrontvärsnitten av 41 element med en noggrannhet på 10 %. Dessutom gav Clementine ovärderlig erfarenhet av styrning och design av snabba neutronreaktorer. Det fastställdes också att kvicksilver inte var ett idealiskt kylmedium för denna typ av reaktorer på grund av dess dåliga värmeöverföringsegenskaper.

Specifikationer

Typ: snabb neutronreaktor
Bränsle: plutonium-239
Kylvätska: kvicksilver vid max 2 kg per sekund (260 lb/min).
Moderator: ingen
Avskärmning: flera lager av uran-238, stål, bly och borimpregnerad plast.
Effekt: max 25 kW.
Kärntemperatur: inlopp 38 °C (100 °F), utlopp 121 °C (250 °F), max kärna 135 °C (275 °F)

Se även