211service.com
En del av kärnkraftshistorien kommer tillbaka till livet
Gretchen Ertl
Den gömde sig i sikte i ett sidorum på MIT:s kärnreaktorlab, täckt med ett tunt lager av metallpaneler som fick det att se ut som ett överdimensionerat förvaringsskåp. Men inuti den enkla metalllådan fanns en viktig del av historien - och en potentiell välsignelse för MIT:s forsknings- och utbildningsprogram inom kärnteknik.
Lådan innehöll en grafitexponentiell hög - en mindre skala version av enhetsfysikern Enrico Fermi byggd under läktaren på University of Chicagos fotbollsstadion för att inleda atomåldern. Fermis experiment från 1942 använde grafit för att bromsa neutroner som kommer från en strålningskälla med en faktor på mer än en miljon. Det fick dem att interagera med atomer i stavar av uran som satts in i högen, vilket initierade världens första kontrollerade kärnklyvningskedjereaktion. Det bevisade teorierna som ledde till den första atombomben och, inte långt efter, de första kärnkraftsreaktorerna.
Under de följande åren, efter att hemligheten för krigstidsforskningen hävts, skyndade universitet och forskningslaboratorier runt om i landet att bygga sina egna grafithögar - mindre versioner som inte skulle producera kedjereaktioner men som kunde främja forskning inom denna begynnande teknik. Minst 25 byggdes, säger Kord Smith, NUE ’79, SM ’79, PhD ’80, MIT:s KEPCO-professor i praktiken för kärnvetenskap och teknik. Men i början av 1960-talet hade kärnkraftsindustrin bestämt sig för ett annat tillvägagångssätt för att designa fissionsreaktorer, med antingen vanligt vatten eller tungt vatten (tillverkat av syre och deuterium, den tunga formen av väte) istället för grafit för att bromsa neutroner och underlätta fission. Inom några år var de flesta av de återstående grafithögarna demonterade eller malpåse.
MIT hade varit en av de första som byggde en grafithög, 1957, och den enheten var den största som byggdes efter Fermis, med halva bredden av originalet. Den stängdes ner som de andra, tydligen i början av 60-talet, och där satt den, bortglömd, tills professor Michael Short vid NSE undrade vad som fanns inuti den mystiska lådan.
Det var svårt att tro att jag var omedveten om existensen av denna unika enhet, trots att jag har studerat kärnteknik och teknik som student och haft en långvarig koppling till NSE, säger Smith, som har undervisat på institutionen sedan 2011 Men när han väl visste att den fanns där, var han igång med planer på att få den i drift igen - dels för att han visste, från att använda en i Kansas State på 1970-talet, hur användbar den kunde vara för forskning och utbildning, och dels för att fira 75-årsdagen av Fermis experiment.
Enheten är i huvudsak en stor kubformad hög med block gjorda av ren grafit – samma material som finns i blyertspenna – med hål borrade genom för att tillåta införande av uranstavarna. De är gjorda av naturligt, oberikat uran och avger så låga nivåer av strålning att de säkert kan hanteras med bara händer, säger Smith, vilket är vad Fermi och hans medarbetare gjorde 1942.
Detta är dock inte bara lite nostalgi eller ett museiföremål. Många nyare reaktorkonstruktioner, såsom stenbäddsreaktorer utformade för att vara i sig säkra och nedsmältningssäkra, förlitar sig på uranbränslepellets med grafitbeklädnad. Men det finns väldigt få ställen idag för att utföra grundläggande forskning om grafits beteende i en kärnklyvningsmiljö.
MIT:s grafithög, gjord av 30 ton rena grafittegelstenar och 2,5 ton uran, har nu återställts till fungerande skick, och NSE-medlemmar genomförde en ceremoniell återskapande av Fermis historiska experiment vid det exakta ögonblicket av händelsens 75-årsjubileum, den 2 december 2017. Det markerade början på högens nya liv.
Medan experiment i stora nationella kärnforskningsanläggningar kräver månader av planering och stränga ansökningsprocesser, kommer studenter att kunna bygga, testa och få resultat från experiment i grafithögen inom några dagar, säger Smith. Det kommer också att ge dem praktisk erfarenhet av att driva en reaktor.
Studenter var planerade att använda högen i maj för att göra strålningsmätningar på plats; till hösten kommer två NSE-kurser att använda den. Elevernas spänning är enorm, säger Smith: De vill alla ladda bränsle själva!