El Experimento de Reactor de Aeronave ( ARE , por sus siglas en inglés) fue un reactor nuclear experimental diseñado para probar la viabilidad de los reactores de combustible fluido, alta temperatura y alta densidad de potencia para la propulsión de aeronaves supersónicas . Funcionó del 8 al 12 de noviembre de 1954 en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL, por sus siglas en inglés) con una potencia sostenida máxima de 2,5 megavatios (MW) y generó 96 MW-hora de energía. [1]
El ARE fue el primer reactor que utilizó combustible circulante de sales fundidas . Los cientos de ingenieros y científicos que trabajaron en el ARE aportaron datos técnicos, instalaciones, equipos y experiencia que permitieron el desarrollo más amplio de los reactores de sales fundidas , así como de los reactores refrigerados por metal líquido .
El concepto de aeronaves de propulsión nuclear fue estudiado formalmente por primera vez en mayo de 1946 por las Fuerzas Aéreas del Ejército de los Estados Unidos . [2] Se planteó la hipótesis de que las características únicas de la energía nuclear podrían aplicarse a los vuelos supersónicos de largo alcance, que se consideraban muy valiosos en términos de estrategia militar. Los desafíos de la propuesta se entendieron de inmediato y, en 1950, la Comisión de Energía Atómica se unió a la Fuerza Aérea para estudiar las posibilidades a través del desarrollo de tecnología en el programa de Propulsión Nuclear de Aeronaves (ANP), que funcionó desde 1946 (originalmente como USAF NEPA) hasta su cancelación en 1961.
El personal del ORNL en el proyecto ANP decidió que la información técnica y la experiencia necesarias para apoyar el objetivo de los vuelos con propulsión nuclear se obtendrían de manera más económica construyendo y operando el ARE. Consideraron que la tarea de volar un avión supersónico con energía nuclear era sumamente compleja y pensaron que podría ser necesario más de un reactor experimental antes de obtener información suficiente para diseñar y construir un reactor para el vuelo.
Originalmente, el ARE fue concebido como un reactor de combustible sólido moderado por óxido de berilio (BeO) refrigerado por sodio metálico líquido. Los bloques moderadores de BeO se adquirieron teniendo en mente el diseño de combustible sólido. Sin embargo, las preocupaciones con respecto a la estabilidad de la reacción en cadena relacionada con el xenón en combustible sólido a temperaturas muy altas eran lo suficientemente serias como para justificar el abandono del combustible sólido y su reemplazo por combustible fluido circulante. Una opción de combustible fluido con sal de fluoruro fundida se incorporó al diseño original. [3]
El ARE fue diseñado para ser un prototipo de reactor de aeronave de combustible circulante moderado por BeO de 350 megavatios. Utilizaba un combustible compuesto de 53,09 % molar de NaF, 40,73 % molar de ZrF 4 y 6,18 % molar de UF 4 . [1] El reactor era un cilindro de BeO con tubos doblados que dirigían el combustible que fluía a través del núcleo en ambas direcciones. Estaba rodeado por una carcasa de Inconel . [4] : 44 La vida operativa del ARE tenía como objetivo 1000 horas, con el mayor tiempo posible al nivel de potencia total de 3 MW. La temperatura de diseño del combustible era de 1500 °F (820 °C), con un aumento de temperatura de 350 °F (180 °C) en todo el núcleo, aunque la temperatura máxima alcanzaba 1580 °F (860 °C) en funcionamiento estable y alcanzaba un máximo de 1620 °F (882 °C) en transitorios. Por el reactor circulaban 170 litros de combustible por minuto a una presión en el núcleo de aproximadamente 2,8 bar (40 psi). El sodio se bombeaba a través del reactor a una velocidad de 570 litros (150 galones estadounidenses) por minuto con una presión de aproximadamente 3,4 bar (50 psi). [1]
La sal de combustible transfirió calor a un circuito de helio , que luego transfirió el calor al agua. Además, los bloques reflector y moderador se enfriaron con un circuito de enfriamiento de metal de sodio líquido, que también transfirió calor al helio y luego al agua. El reactor contenía una fuente de neutrones (15 curies de polonio-berilio), una barra reguladora y tres barras de compensación de carburo de boro enfriadas con helio . El experimento se instrumentó con dos cámaras de fisión, dos cámaras de ionización compensadas y 800 termopares .
El sistema de control ARE podría detener automáticamente el reactor en función de un alto flujo de neutrones , un período de reactor rápido , una alta temperatura del combustible de salida del reactor, una baja temperatura del combustible del intercambiador de calor, un bajo caudal de combustible y pérdida de energía externa.
La cámara del intercambiador de calor ocupaba mucho más espacio que las cámaras del reactor y del tanque de descarga. Los ambiciosos objetivos y la importancia militar del ANP catalizaron una cantidad significativa de investigación y desarrollo de sistemas complejos en entornos desafiantes de alta temperatura y alta radiación .
Los estudios sobre corrosión y manipulación de sodio caliente comenzaron en 1950. Las investigaciones de los problemas de ingeniería y fabricación relacionados con la manipulación de sales de fluoruro fundidas comenzaron en 1951 y continuaron hasta 1954. Se utilizaron bucles de prueba de corrosión por convección natural para seleccionar combinaciones adecuadas de materiales y combustibles. Estudios posteriores en bucles de prueba de circulación forzada establecieron medios para minimizar la corrosión y la transferencia de masa . El desarrollo de bombas, intercambiadores de calor , válvulas , instrumentación de presión y trampas de frío se extendió desde fines de 1951 hasta el verano de 1954. Gran parte del trabajo se basó en una amplia experiencia a menor temperatura del Laboratorio Nacional de Argonne y el Laboratorio de Energía Atómica de Knolls . Se tuvieron que desarrollar técnicas relacionadas con la construcción, el precalentamiento, la instrumentación y el aislamiento de circuitos confiables a prueba de fugas de alta temperatura hechos de Inconel . Descubrieron que era necesaria una construcción completamente soldada.
En total, el desarrollo de equipos para el funcionamiento hermético a altas temperaturas duró unos cuatro años. [5] El Informe de resumen de riesgos de ARE [6] se publicó el 24 de noviembre de 1952. Se montó una maqueta crítica de baja temperatura del reactor para verificar los modelos de cálculo. Los bloques moderadores de BeO se equiparon con tubos rectos llenos de una mezcla de polvo para simular el combustible. Se midieron la masa crítica, el valor de la barra reguladora, el valor de la barra de seguridad, las distribuciones de flujo de neutrones y los coeficientes de reactividad de una amplia variedad de materiales. [7] La construcción del edificio de la instalación de pruebas comenzó en julio de 1951. [4] : 125
El ARE funcionó con éxito. Llegó a su estado crítico con una masa de uranio-235 de 32,8 lb (14,9 kg) . Era muy estable como resultado de su coeficiente de temperatura del combustible fuertemente negativo (medido a -9,8e-5 dk/k/°F).
El conjunto se montó por primera vez de manera adecuada el 1 de agosto de 1954, momento en el que se inició una operación de tres turnos para realizar pruebas. El 26 de septiembre se hizo fluir sodio metálico caliente a través del sistema para probar el equipo de proceso y la instrumentación. Los problemas con los sistemas de ventilación y purificación de sodio exigieron reparaciones prolongadas. Después de varias descargas y recargas de sodio, se introdujo sal portadora en el sistema el 25 de octubre. El combustible se añadió por primera vez al reactor el 30 de octubre. La criticidad inicial se alcanzó a las 3:45 p. m. del 3 de noviembre, después de un proceso minucioso y cuidadoso de adición del combustible enriquecido . Gran parte de los cuatro días se dedicaron a quitar tapones y reparar fugas en la línea de enriquecimiento. Se tomaron una serie de muestras de combustible periódicamente. En particular, mostraron un aumento del contenido de cromo a una velocidad de 50 ppm/día, lo que indica una rápida corrosión de las tuberías de combustible.
En el ARE se realizaron una serie de experimentos para apoyar su misión. [1]
A las 16:19 horas del 8 de noviembre, durante el ascenso a alta potencia, el reactor se apagó tras las mediciones de alta radiactividad en el aire en el sótano. Parecía que los accesorios de gas de la bomba de combustible principal estaban filtrando gases y vapores de productos de fisión hacia los pozos, y los pozos estaban filtrando hacia el sótano a través de sellos defectuosos en algunos paneles de unión eléctrica. Se instaló una tubería de 5 cm desde los pozos a 300 m al sur hasta un valle deshabitado. Se utilizaron compresores portátiles y un chorro para llevar los pozos a presión subatmosférica durante el resto del experimento. Los detectores de radiación de seguridad apagaron el reactor varias veces durante el reinicio y se retiraron para estar más lejos del reactor. Finalmente, el reactor se puso en marcha de nuevo y alcanzó alta potencia.
El 12 de noviembre, se demostró el funcionamiento del reactor al personal de la Fuerza Aérea y de la ANP que se había reunido en el ORNL para una reunión informativa trimestral. Se demostró el seguimiento de la carga encendiendo y apagando los ventiladores. Una vez alcanzados todos los objetivos operativos, se tomó la decisión de cesar la operación. El coronel Clyde D. Gasser estaba visitando el laboratorio en ese momento y fue invitado a oficiar la finalización del experimento. A las 8:04 pm, puso en marcha el reactor por última vez. Se publicó mucha información sobre el funcionamiento del reactor, incluidos registros experimentales detallados, rastros de energía y 33 lecciones aprendidas. [1]
Entre la parada y el vertido de combustible, el personal operativo tuvo que usar máscaras de gas debido al alto nivel de radiactividad en el aire, que fue causado por una fuga de gas que no pudo ser localizada. [8] El 13 de noviembre, el combustible fue transferido al tanque de descarga de combustible. La sal portadora presurizada lavó las tuberías y diluyó el tanque de descarga. La sal de lavado se calentó a 100 °F (38 °C) por encima de la temperatura del sistema y se bombeó a través de los canales de combustible. Los operadores observaron los termopares para asegurarse de que la sal de lavado fluyera en todos los canales.
Se suspendieron dos escudos de plomo planos de 1,8 m por 1,2 m con 5,1 cm de espesor en la celda del intercambiador de calor para proteger al personal de desmantelamiento de la radiación de los sistemas de combustible. Primero se cortaron las líneas de agua. Luego, se cortaron las líneas de sodio con sierras para metales y se sellaron inmediatamente con varias capas de cinta adhesiva. Se limpió la bomba de sodio y se retiró el impulsor para examinarlo. Cuando se retiraron la bomba de sodio y el intercambiador de calor, el campo de radiación en la habitación aumentó a 600 mrem /h. El equipo había estado protegiendo el área de la radiación del sistema de combustible.
El sistema de combustible fue desmantelado cuidadosamente a partir de febrero de 1955. El recipiente de la bomba de combustible principal se inspeccionó a 900 mrem/h a 5 pies (2 m). Se construyó una amoladora portátil que podía operarse desde dentro de una caja de plomo para cortar las líneas de combustible cerca del recipiente del reactor. Una vez que estuvo libre, el reactor fue trasladado a un lugar de almacenamiento y más tarde a un cementerio. Se programó el reprocesamiento del combustible en el tanque de descarga. Se tomaron alrededor de 60 muestras de equipo y material para su análisis y examen detallados. Se realizaron pruebas metalográficas, de activación , visuales, estereofotográficas y de fugas.
Después de que el ARE entró en funcionamiento, el proyecto ANP siguió adelante con planes para construir un experimento más grande, el Reactor de Prueba de Aeronave (ART) de 60 MW. [9] El ART iba a ser un núcleo alimentado con NaF-ZrF 4 -UF 4 , moderado con Be, reflejado con Be con sodio metálico como refrigerante del reflector y NaK como refrigerante secundario, con un escudo hecho de plomo y agua borada.
El edificio 7503 del ORNL fue reexcavado significativamente en un proyecto de extensión que incluía nuevas excavaciones profundas para acomodar el ART, pero el programa se canceló antes de que se realizara el nuevo experimento. [10] El edificio y las instalaciones luego albergaron el Experimento del Reactor de Sal Fundida .