クレメンタイン（原子炉）
クレメンタインは、ロスアラモス高速プルトニウム炉としても知られる世界初の連続[注 1 ]高速中性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25 kWで、燃料はプルトニウム、冷却は液体水銀であった。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 ] 。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命名された。この歌との類似点は、原子炉が深い峡谷に設置されていたことと、原子炉のオペレーターが49番（元素番号94、同位体239の最後の数字）だったことから49番だったことである。[ 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明らかにすることでした。この原子炉では、民生用増殖炉の実現可能性の調査や、様々な材料の中性子断面積の測定など、数多くの実験が行われました。
コア設計
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）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。燃料要素の直径は1.64cm（0.65インチ）、長さは14cm（5.5インチ）であった。燃料要素は厚さ0.5mm（0.020インチ）の普通炭素鋼で被覆されていた。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、最大流量0.15リットル/秒（0.040米ガロン/秒）で炉心内を循環し、水銀水熱交換器へと排出された。[ 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物で包まれており、まず炉心のすぐ周囲を15cm（6インチ）の厚さの円筒形の天然ウラン製ブランケットが覆っていた。このブランケットは上下が開いており、上下に動かすことができた。次に、15.2cm（6インチ）の厚さの鋼鉄製反射体と10cm（4インチ）の鉛が覆っていた。最後に、原子炉の大部分は鋼鉄とホウ素樹脂の多層構造で囲まれていた。この全体構造は、追加の遮蔽として機能する厚いコンクリート製のシェルで囲まれ、支えられていた。遮蔽には多数の穴が開けられており、様々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、初期の原子炉の一つであったことによる機能であった。制御は複数の手段によって行われた。前述のウランブランケットは上下に動かすことができた。 ウラン238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。ブランケットが上昇すると、より多くの中性子が炉心に戻り、核分裂反応の回数が増加し、結果として出力が増加した。[ 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棒/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、反応を制御および停止するために挿入することができます。
原子炉の停止は、ウランブランケットの落下と2本の制御棒の挿入を同時に行うことで行われ、制御棒は中性子を吸収し、反応を阻害した。実験装置や追加の制御棒、燃料棒を挿入するために、炉心には最大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年まで順調に運転を続けましたが、制御棒とシム棒の不具合を修正するために原子炉は停止されました。この停止中に、天然ウラン棒の1本が破裂していることが確認されました。この棒は交換され、原子炉は再稼働しました。[ 5 ]
クレメンタイン原子炉は1952年まで再び順調に運転されましたが、燃料棒の一つの被覆管が破裂し、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ました。この時点で、クレメンタイン原子炉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、解体されました。[ 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、軍事用途と民生用途の両方で非常に有用でした。クレメンタイン計画の注目すべき成果の一つは、41元素の全中性子断面積を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にとって理想的な冷却媒体ではないことも判明しました。[ 5 ]
仕様
- 種類: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、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℃（100℉）、出口121℃（250℉）、最大コア135℃（275℉）[ 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）ロスアラモス科学誌21ページ、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: ロスアラモス・プルトニウム高速炉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年5月1日). 「ロスアラモス高速プルトニウム炉」 . 『原子炉 - 研究と発電』 . LA-1679 . 2021年1月5日閲覧。
- ^バンカー、マール・E.（1983年冬春号）「初期の原子炉：フェルミの湯沸かし器から新型動力源まで」（PDF）ロスアラモス科学誌、ロスアラモス国立研究所：127ページ。
- ^ a b c dバンカー、マール・E.（1983年冬春号）「フェルミの湯沸かし器から新型動力源までの初期の原子炉」（PDF）ロスアラモス科学誌、ロスアラモス国立研究所：128。
- ^ a b c d e 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（報告書）. Vol. NUREG/ CR-4375, EGG-2415. アイダホ国立工学研究所. p. A44.
- ^ベル、チャールズ・R.（2007年3月）「増殖炉の安全性：不可能をモデル化する」（PDF）ロスアラモスサイエンス誌：102ページ。
注記
- ^ロスアラモスのドラゴン臨界集合体は1945年1月から稼働しており、世界初の高速スペクトル原子炉であったが、臨界爆発のみを想定して設計された粗雑な装置であった。
