El NRX ( National Research Experimental ) fue un reactor nuclear de investigación moderado por agua pesada y refrigerado por agua ligera en los Laboratorios Chalk River de Canadá , que entró en funcionamiento en 1947 con una potencia nominal de diseño de 10 MW (térmica), que aumentó a 42 MW en 1954. En el momento de su construcción, era la instalación científica más cara de Canadá y el reactor nuclear de investigación más potente del mundo. [1] El NRX era notable tanto en términos de su producción de calor como de la cantidad de neutrones libres que generaba. Cuando un reactor nuclear como el NRX está en funcionamiento, su reacción nuclear en cadena genera muchos neutrones libres. A fines de la década de 1940, el NRX era la fuente de neutrones más intensa del mundo.
El 12 de diciembre de 1952, el reactor NRX sufrió uno de los primeros accidentes de reactor importantes del mundo. El reactor comenzó a funcionar el 22 de julio de 1947 bajo la supervisión del Consejo Nacional de Investigación de Canadá y fue asumido por Atomic Energy of Canada Limited (AECL) poco antes del accidente de 1952. El accidente fue limpiado y el reactor se reinició en dos años. El NRX funcionó durante 45 años y luego se cerró de forma permanente el 30 de marzo de 1993. [2] El desmantelamiento está en marcha en el sitio de Chalk River Laboratories.
El NRX fue el sucesor del primer reactor de Canadá, el ZEEP . Como no se esperaba que la vida útil de un reactor de investigación fuera muy larga, en 1948 se comenzó a planificar la construcción de una instalación sucesora, el reactor universal de investigación nacional , que comenzó a funcionar de forma autónoma (o "se puso en estado crítico") en 1957.
Un reactor moderado por agua pesada se rige por dos procesos principales. En primer lugar, el agua ralentiza ( modera ) los neutrones que se producen por la fisión nuclear, lo que aumenta las posibilidades de que los neutrones de alta energía provoquen más reacciones de fisión. En segundo lugar, las barras de control absorben los neutrones y ajustan el nivel de potencia o apagan el reactor durante el funcionamiento normal. La reacción se puede detener insertando las barras de control o retirando el moderador de agua pesada.
El reactor NRX incorporaba una calandria, un recipiente cilíndrico vertical de aluminio sellado con un diámetro de 8 metros (26 pies) y una altura de 3 metros (9,8 pies). El recipiente central contenía unos 175 tubos verticales de seis centímetros (2,4 pulgadas) de diámetro en una red hexagonal, 14.000 litros (3.100 galones imperiales; 3.700 galones estadounidenses) de agua pesada y gas helio para desplazar el aire y evitar la corrosión . El nivel de agua en el reactor podía ajustarse para ayudar a establecer el nivel de potencia. En los tubos verticales y rodeados de aire se encontraban elementos de combustible o elementos experimentales. Este diseño fue un precursor de los reactores CANDU .
Los elementos combustibles contenían barras de combustible de 3,1 metros (10 pies) de largo, 31 milímetros (1,2 pulgadas) de diámetro y un peso de 55 kilogramos (121 libras), que contenían combustible de uranio y estaban revestidas de aluminio. Alrededor del elemento combustible había un tubo de refrigeración de aluminio por el que fluían hasta 250 litros por segundo (3300 imp gal/min) de agua de refrigeración procedente del río Ottawa . Entre la vaina de refrigeración y la calandria se mantenía un flujo de aire de 8 kilogramos por segundo (1100 lb/min).
Doce de los tubos verticales contenían barras de control hechas de polvo de carburo de boro dentro de tubos de acero. Estas podían elevarse y bajarse para controlar la reacción, y bastaba con insertar siete para absorber suficientes neutrones para que no se produjera una reacción en cadena. Las barras se sostenían mediante electroimanes , de modo que un corte de energía haría que cayeran dentro de los tubos y terminara la reacción. Un sistema neumático podía usar la presión del aire desde arriba para forzarlas rápidamente hacia el núcleo del reactor o desde abajo para levantarlas lentamente de él. Cuatro de estos se llamaban banco de salvaguardia , mientras que los otros ocho se controlaban en una secuencia automática. Dos pulsadores en el panel principal de la sala de control activaban imanes para sellar las barras al sistema neumático, y el pulsador para provocar la inserción neumática de las barras en el núcleo estaba ubicado a unos pocos pies de distancia.
Durante un tiempo, el NRX fue el reactor de investigación más potente del mundo y colocó a Canadá a la vanguardia de la investigación en física. El NRX, que surgió de un esfuerzo de cooperación entre Gran Bretaña , Estados Unidos y Canadá durante la Segunda Guerra Mundial , era un reactor de investigación multipropósito que se utilizaba para desarrollar nuevos isótopos, probar materiales y combustibles y producir haces de radiación de neutrones , y se convirtió en una herramienta indispensable en el floreciente campo de la física de la materia condensada .
El diseño de física nuclear del NRX surgió del Laboratorio de Montreal del Consejo Nacional de Investigación de Canadá , que se estableció en la Universidad de Montreal durante la Segunda Guerra Mundial para contratar a un equipo de científicos canadienses, británicos y de otros países europeos para que realizaran investigaciones secretas sobre reactores de agua pesada. Cuando se tomó la decisión de construir el NRX en lo que hoy se conoce como Chalk River Laboratories , el diseño de ingeniería detallado se encargó a la empresa canadiense Defence Industries Limited (DIL), que subcontrató la construcción a Fraser Brace Ltd.
En los primeros días de la radioterapia contra el cáncer , el reactor NRX era la única fuente mundial del isótopo cobalto-60 , utilizado por primera vez para bombardear tumores en 1951. [3]
En 1994, el Dr. Bertram Brockhouse compartió el Premio Nobel de Física por su trabajo en la década de 1950 en NRX, que avanzó en las técnicas de detección y análisis utilizadas en el campo de la dispersión de neutrones para la investigación de la materia condensada.
El reactor CIRUS , basado en este diseño, se construyó en la India y se utilizó para producir plutonio para la prueba nuclear india Operación Buda Sonriente . [4]
Se afirma que el término "crud" originalmente significaba "depósito no identificado de Chalk River", utilizado para describir la incrustación radiactiva que se acumula en los componentes internos del reactor, observada por primera vez en la instalación NRX. [5] [ verificación fallida ] Desde entonces, "crud" se ha convertido en un término común para "depósito no identificado relacionado con la corrosión" y expresiones similares y se utiliza comúnmente sin relación con la planta de Chalk River. [ cita requerida ]
El 12 de diciembre de 1952, el reactor NRX sufrió una fusión parcial debido a un error del operador y a problemas mecánicos en los sistemas de apagado. Para fines de prueba, algunos de los canales de combustible se habían desconectado del sistema de enfriamiento por agua a alta presión y se conectaron mediante mangueras a un sistema de enfriamiento temporal; un canal de baja potencia se enfrió solo mediante flujo de aire. [6]
Durante las pruebas a baja potencia, con un flujo de refrigerante bajo a través del núcleo, el supervisor notó que varias barras de control se estaban sacando del núcleo; un operador en el sótano había abierto incorrectamente las válvulas neumáticas. Las válvulas abiertas incorrectamente se cerraron inmediatamente, pero algunas de las barras de control no volvieron a entrar en el núcleo y se quedaron en posiciones casi retraídas, pero aún lo suficientemente bajas como para que sus luces de estado indicaran que estaban bajadas. Debido a una falta de comunicación entre el supervisor y el operador de la sala de control, se presionaron los botones equivocados cuando el supervisor pidió bajar las barras de control al núcleo. En lugar de sellar las barras de control extraídas al sistema neumático, el banco de protección de cuatro barras de control se retiró accidentalmente del núcleo. El operador notó que el nivel de potencia aumentaba exponencialmente, duplicándose cada 2 segundos, y disparó el reactor. Sin embargo, tres de las barras de control de protección no se insertaron en el núcleo y la cuarta tardó un tiempo anormalmente largo, aproximadamente 90 segundos, en insertarse, mientras que la potencia seguía aumentando. Después de sólo 10 segundos, el núcleo alcanzó 17 MW (térmicos). El agua de refrigeración hirvió en algunos tubos conectados al sistema de refrigeración temporal, y algunos de ellos se rompieron; el coeficiente de vacío positivo del reactor provocó un nuevo aumento de potencia. Unos 14 segundos más tarde, se abrieron manualmente las válvulas para drenar el moderador de agua pesada de la calandria. Como esto tardó un tiempo en hacerse efectivo, la potencia aumentó durante 5 segundos más, alcanzó un máximo estimado de 100 MW, luego disminuyó a medida que disminuía el nivel del moderador y llegó a cero 25 segundos más tarde. Todo el accidente, de baja a alta potencia a cero, tardó unos 108 segundos. Mientras tanto, algunos elementos de combustible se fundieron y fueron perforados en varios lugares; el gas de cobertura de helio se filtró y se aspiró aire en el interior. El hidrógeno y otros gases se desprendieron por disociación inducida por radiación del agua de refrigeración, y 3-4 minutos más tarde, el oxhidrógeno explotó en la calandria. Durante el incidente, algunos productos de fisión gaseosos se liberaron a la atmósfera y el agua pesada de la calandria se contaminó con el agua de refrigeración y los productos de fisión. [6]
Para eliminar el calor de desintegración del combustible , el sistema de refrigeración por agua se mantuvo en funcionamiento, lo que permitió que el refrigerante contaminado se filtrara al sótano del reactor. Unos 10 kilocurios (400 TBq ) de materiales radiactivos, contenidos en unos 4.500 metros cúbicos (1.200.000 galones estadounidenses) de agua, [6] se acumularon en el sótano del edificio del reactor durante los días siguientes. [7]
La limpieza del edificio del reactor requirió varios meses de trabajo, con la ayuda de 150 miembros de la Marina de los EE. UU. después de que el almirante Rickover solicitara permiso para enviar personal de submarinos nucleares estadounidenses para aprender sobre la limpieza de la contaminación nuclear. El contingente estadounidense incluía al futuro presidente de los EE. UU. Jimmy Carter , en ese momento un teniente en el programa de submarinos nucleares de los EE. UU. que estaba a cargo de 12 hombres. [8] El núcleo del reactor NRX y la calandria, dañados sin posibilidad de reparación, fueron retirados y enterrados, y se instaló un reemplazo mejorado; el reactor renovado comenzó a operar 14 meses y 5 días después del accidente. [9] La limpieza fue realizada principalmente por 850 miembros del personal de Energía Atómica de Canadá, asistidos por aproximadamente 170 militares canadienses y 150 estadounidenses, y 20 contratistas. [6] [10]
Las lecciones aprendidas en el accidente de 1952 hicieron avanzar significativamente el campo de la seguridad de los reactores, [11] y los conceptos que destacó (diversidad e independencia de los sistemas de seguridad, capacidad de apagado garantizada, [11] eficiencia de la interfaz hombre-máquina ) se convirtieron en fundamentos del diseño de reactores. [ cita requerida ] El incidente fue el primer accidente grave de reactor nuclear del mundo. [6]
En los primeros días de la radioterapia contra el cáncer, también proporcionó la única fuente disponible del mundo del isótopo radiactivo cobalto-60, que los investigadores canadienses utilizaron por primera vez para bombardear tumores en 1951.
46°03′06″N 77°21′49″O / 46.05167, -77.36361