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クレメンタインは、世界初の高速中性子炉、ロスアラモス高速プルトニウム炉としても知られる原子炉のコード名である。実験規模の原子炉であった。最大出力は25kWで、プルトニウムを燃料とし、液体水銀で冷却した。クレメンタインは、ニューメキシコ州ロスアラモスのロスアラモス国立研究所に設置された。クレメンタインは1945年から1946年にかけて設計・建造され、1946年に初めて臨界に達し[1] [2]、1949年3月にフルパワーに達した。 [3]この原子炉は、「オー・マイ・ダーリン、クレメンタイン」という歌にちなんで名付けられた。この歌との類似点は、原子炉が深い峡谷に位置し、原子炉のオペレーターが49'ersであったことである。49（元素番号94、同位体番号239の最後の数字）は、当時のプルトニウムのコード名の1つであった。[4]
クレメンタインの主目的は、マンハッタン計画後の核兵器研究のための材料の核特性を決定することであった。この原子炉では、民間の増殖炉の実現可能性の調査や、さまざまな材料の 中性子断面積の測定など、他の多くの実験も行われた。
コアデザイン
炉心は、内径15.2cm (6.0インチ)、壁厚0.6cm (0.24インチ)の117cm (46インチ)長さの軟鋼製シリンダーに収められていた。燃料集合体は直径15cm (5.9インチ)、高さ14cm (5.5インチ)で、55個の燃料要素を含んでいた。各燃料要素はδ相プルトニウム239で構成されていた。それらはそれぞれ直径1.64cm (0.65インチ)、長さ14cm (5.5インチ)であった。燃料要素は厚さ0.5mm (0.020インチ)の普通炭素鋼で覆われていた。炉心は鋼製シリンダーの底部に位置していた。
炉心は液体水銀で冷却された。最大熱出力は25kWであった。水銀は可動部品のない誘導型電磁ポンプによって炉心を通って水銀水熱交換器に最大流量0.15リットル/秒（0.040 USgal/s）で循環された。[5]
シールドとサポート構造
原子炉の炉心は、一連の中性子反射体と遮蔽構造で包まれており、まず炉心を直接取り囲む厚さ 15 cm (6 インチ) の円筒形の天然ウラン ブランケットが巻かれていた。このブランケットは上部と下部が開いており、上下に動かすことができた。次に厚さ 15.2 cm (6 インチ) の鋼鉄反射体と 10 cm (4 インチ) の鉛が巻かれていた。最後に、原子炉の大部分は鋼鉄とホウ素プラスチックの多層構造で囲まれていた。このアセンブリ全体は、追加の遮蔽を提供する厚いコンクリートシェルで囲まれ、支えられていた。遮蔽には多数の穴が開けられており、さまざまな物理実験に高速中性子を供給していた。[6]
原子炉制御
この原子炉は遅延中性子の制御による反応制御を実証した最初の原子炉であった。[6] [7]これは特別な設計上の特徴というよりも、非常に初期の原子炉の1つであったことによる機能であった。制御はいくつかの方法で達成された。前述のウランブランケットは上げ下げすることができた。238 Uは優れた中性子反射体であるため、ブランケットの位置によって反応に利用できる中性子の数を制御することができた。ブランケットを上げると、より多くの中性子が炉心に反射され、より多くの核分裂が起こり、その結果、より大きな出力が得られた。[6]
さらに、天然ウランとホウ素 10同位体が濃縮されたホウ素で構成された停止/制御棒が 2 本ありました。10 B は非常に効果的な中性子毒であり、反応を制御し停止するために挿入することができます。
原子炉の停止には、ウランブランケットの落下と、中性子を吸収して反応を阻害する2本の制御棒の挿入が同時に含まれていた。実験構成や追加の制御棒や燃料棒のために、炉心に最大20個の穴が設けられていた。[6]
使用とシャットダウン
クレメンタインは1946年から1950年まで正常に運転されたが、制御棒とシム棒の問題を解決するために原子炉は停止された。この停止中に天然ウラン棒の1本が破裂したことが確認された。この棒は交換され、原子炉は再稼働された。[5]
1952年まで、再び正常に運転されたが、燃料棒の1本の被覆が破裂した。この事故により、一次冷却ループがプルトニウムやその他の核分裂生成物で汚染された。この時点で、クレメンタインの主要目的はすべて達成されたと判断され、原子炉は永久に停止され、解体された。[5]
クレメンタイン実験の結果
クレメンタイン原子炉の運転によって得られた経験とデータは、軍事と民間の両方の用途に非常に役立ちました。クレメンタイン計画の注目すべき成果の1つは、41元素の総中性子断面積を10%の精度で測定したことです。さらに、クレメンタインは高速中性子原子炉の制御と設計において貴重な経験をもたらしました。また、水銀は熱伝達特性が悪いため、このタイプの原子炉の理想的な冷却媒体ではないことが判明しました。[5]
仕様
- タイプ:高速中性子炉
- 燃料:プルトニウム239
- 冷却剤: 最大 2 キログラム/秒 (260 ポンド/分) の水銀。
- モデレーター: なし
- 遮蔽: ウラン 238、鋼鉄、鉛、ホウ素含浸プラスチックの多層構造。
- 電力: 最大 25 kW。
- コア温度: 入口38 °C (100 °F)、出口121 °C (250 °F)、最大コア135 °C (275 °F) [6]
参照
参考文献
- ^ 「ロスアラモス国立研究所の歴史におけるマイルストーン」(PDF)。ロスアラモスサイエンス。21 。ロスアラモス国立研究所。1993年。
- ^ Patenaude, Hannah K.; Freibert, Franz J. (2023-07-03). 「Oh, My Darling Clementine: Los Alamos Plutonium Fast Reactorの詳細な歴史とデータリポジトリ」. Nuclear Technology . 209 (7): 963–1007. doi : 10.1080/00295450.2023.2176686 . ISSN 0029-5450.
- ^ Jurney, Edward Thornton (1954-05-01). 「ロスアラモス高速プルトニウム炉」.原子炉 - 研究と電力. LA-1679 . 2021年1月5日閲覧。
- ^ Bunker, Merle E. (1983年冬春号)。「フェルミの湯沸かし器から新型動力プロトタイプまでの初期の原子炉」(PDF)。ロスアラモス科学。ロスアラモス国立研究所: 127。
- ^ abcd Bunker, Merle E. (1983年冬春号)。「フェルミの湯沸かし器から新型動力プロトタイプまでの初期の原子炉」(PDF)。ロスアラモス科学。ロスアラモス国立研究所: 128。
- ^ abcde Adams, Steven R. (1985 年 10 月)。液体金属高速増殖炉の理論、設計、運転、運転時の健康物理を含む (レポート)。Vol. NUREG/ CR-4375、EGG-2415。アイダホ国立工学研究所。p. A44。
- ^ Bell, Charles R. (2007 年 3 月). 「増殖炉の安全性 - 不可能をモデル化する」(PDF) . Los Alamos Science : 102.