UHTREX

كانت تجربة مفاعل درجة الحرارة الفائقة ( UHTREX ) مفاعلًا نوويًا تجريبيًا مُبردًا بالغاز ، أُجري في مختبر لوس ألاموس الوطني بين عامي 1959 و1971 ^{[ 1 ] [ 2 ]} كجزء من أبحاث تهدف إلى خفض تكلفة الطاقة النووية. ^{[ 3 ]} وكان الغرض منها اختبار ومقارنة مزايا استخدام وقود بسيط مقابل عيوب نظام التبريد الملوث . ^{[ 4 ]} وقد وصل المفاعل إلى طاقته الكاملة لأول مرة في عام 1969. ^{[ 5 ]}

كانت التجربة فرعاً من مشروع روفر ، الذي كان يهدف إلى تطوير صاروخ نووي حراري . ^{[ 1 ]}

كان قلب جهاز UHTREX يتكون من أسطوانة دوارة مجوفة رأسية (برج) مصنوعة من الجرافيت الصلب .

كان قطر الأسطوانة الخارجي 70 بوصة، وقطرها الداخلي 23 بوصة، وارتفاعها 39 بوصة. احتوى قلب المفاعل على 312 قناة وقود. وُزعت هذه القنوات شعاعيًا حول القلب بتباعد متساوٍ بزاوية 15 درجة، مُرتبة في 13 طبقة منفصلة، ​​كل طبقة تضم 24 قناة. استوعبت كل قناة ما يصل إلى 4 عناصر وقود، وامتدت بالكامل إلى داخل الأسطوانة. كان بالإمكان إعادة تزويد القلب بالوقود عن بُعد أثناء التشغيل بكامل طاقته. ^{[ 4 ]} تضمنت عملية إعادة التزويد تدوير القلب إلى القناة التي تحتوي على العنصر المطلوب استبداله، ثم دفع عنصر جديد. يُدفع العنصر المُستعمل إلى المركز، ويسقط إلى قاعدة المفاعل ليتم جمعه. عند التشغيل بكامل طاقته، كان المفاعل يستهلك من عنصر إلى 6 عناصر وقود يوميًا، اعتمادًا على نسبة التخصيب ومسامية عنصر الوقود. وقد أنتج 3 ميغاواط من الطاقة الحرارية.

يمنع المفاعل النووي النموذجي سائل التبريد من ملامسة كريات الوقود مباشرةً، إما بتغليف كريات الوقود، أو بتغليفها داخل قضيب وقود ، أو بتمرير سائل التبريد عبر أنابيب منفصلة. وهذا يمنع تلوث سائل التبريد. من عيوب نظام الوقود المغلق تراكم نواتج الانشطار داخل عنصر الوقود. بعض هذه النواتج يُسمم التفاعل، مما يؤدي في النهاية إلى انخفاض الكفاءة قبل استهلاك جزء كبير من الوقود. عندئذٍ، يحتاج المفاعل إلى إعادة التزود بالوقود. كما أن فصل الوقود عن سائل التبريد قد يُمثل تحديات تصميمية كبيرة. على سبيل المثال، لا يمكن تشغيل الأنابيب المعدنية اللازمة لذلك عند درجات حرارة أعلى من نقطة انصهارها، والتي عادةً ما تكون أقل بكثير من درجة انصهار كريات الوقود. وهذا يُقلل من الكفاءة الحرارية النظرية القصوى للمفاعل.

استخدم مفاعل UHTREX عناصر وقود مصنوعة من الكربون المسامي غير المغلف، كل منها على شكل أسطوانة مجوفة طويلة. ^{[ 4 ]} صُنعت عناصر الوقود عن طريق تشريب أسطوانات الكربون المسامية بمحلول نترات اليورانيل المائي تحت الفراغ ، ثم تجفيفها بالهواء وخبزها في فرن، مما ينتج عنه في النهاية طبقة من أكسيد اليورانيوم مثبتة بإحكام في مصفوفة من الجرافيت المسامي. ^{[ 4 ]} كان من المتوقع أن يكون تصنيع هذا الوقود أقل تكلفة بكثير ^{[ 4 ]} من أنواع الوقود الأخرى في ذلك الوقت. تمثلت الميزة الرئيسية لهذا النوع من الوقود في أن مسامية الكرية، بالإضافة إلى درجات الحرارة العالية التي يمكن الوصول إليها، تسمح لمعظم المواد السامة الناتجة عن نواتج الانشطار بالهجرة خارج الوقود. ثم يحمل تيار سائل التبريد هذه المواد السامة ليتم ترشيحها وإزالتها في النهاية. وهذا يسمح باحتراق نسبة أعلى من الوقود قبل الحاجة إلى استبدال الكرية (تصل إلى 50%). ^{[ 4 ]}

تتمثل العيوب الرئيسية لوقود المفاعلات المسامي في أن دائرة التبريد الأساسية بأكملها، بما في ذلك جميع المضخات والضواغط والمبادلات الحرارية، ستتلوث بشدة بنواتج الانشطار . ^{[ 4 ]} ويحول مستوى التلوث العالي دون إمكانية فتح وعاء المفاعل لإعادة التزود بالوقود لاحقًا. لذلك، صُمم المفاعل بحيث يمكن إعادة التزود بالوقود عن بُعد أثناء التشغيل . ويشكل احتمال انتشار التلوث على نطاق أوسع نتيجة لتسرب سائل التبريد خطرًا كبيرًا على العاملين والبيئة.

كانت مواصفات UHTREX كالتالي: ^{[ 4 ]}

• الوقود - اليورانيوم عالي التخصيب
• القدرة المقدرة - 3  ميغاواط (حرارية)
• مادة البناء الأساسية - الجرافيت
• المشرف - جرافيت
• وعاء المفاعل - كرة من الفولاذ الكربوني قطرها 13  قدمًا و2 بوصة وسمكها 1.75 بوصة.
• قنوات الوقود - 312 قناة. يبلغ قطر كل قناة 1.1 بوصة، وطولها 23.5 بوصة، وتتسع لما يصل إلى 4 عناصر وقود.
• عنصر الوقود - 1 بوصة قطر خارجي، 0.5 بوصة قطر داخلي و 5.5 بوصة طول (25.4  مم × 12.7  مم × 139.7  مم).
• كثافة الطاقة الأساسية - 1.3 واط/سم مكعب
• استهلاك الوقود - يصل إلى 50%.
• سائل التبريد - الهيليوم عند ضغط 500 رطل لكل بوصة مربعة (3.45 ميجا باسكال)
• درجة حرارة سائل التبريد - المدخل 1600  درجة فهرنهايت، المخرج 2400  درجة فهرنهايت (871  درجة مئوية و 1316  درجة مئوية).
• معدل تدفق سائل التبريد - 10250 رطلاً في الساعة (1.294  كجم/ثانية)

حيث يمثل ID و OD القطر الداخلي والخارجي على التوالي.

• مفاعل أوميغا ويست
• مفاعل كليمنتين

• تقييم أهلية TA-52-1 وTA-52-11: مجمع تجارب المفاعلات ذات درجة الحرارة العالية جدًا (UHTREX) - معلومات تاريخية وأساسية مفصلة حول UHTREX