211service.com
Stukje nucleaire geschiedenis komt weer tot leven
Gretchen Ertl
Het verstopte zich in het volle zicht in een zijkamer van MIT's Nuclear Reactor Lab, bedekt met een dunne laag metalen panelen waardoor het eruitzag als een extra grote opbergkast. Maar in die eenvoudige metalen doos zat een belangrijk stuk geschiedenis - en een potentiële zegen voor MIT's onderzoeks- en onderwijsprogramma's op het gebied van nucleaire technologie.
De doos bevatte een exponentiële stapel van grafiet - een kleinere versie van het apparaatfysicus Enrico Fermi dat onder de tribunes van het voetbalstadion van de Universiteit van Chicago bouwde om het atoomtijdperk in te luiden. Fermi's experiment uit 1942 gebruikte grafiet om neutronen afkomstig van een stralingsbron met een factor van meer dan een miljoen te vertragen. Dat zorgde ervoor dat ze in wisselwerking kwamen met atomen in staven uranium die in de stapel waren gestoken, waardoor 's werelds eerste gecontroleerde kettingreactie van kernsplijting op gang kwam. Het bewees de theorieën die leidden tot de eerste atoombom en, niet lang daarna, de eerste kernreactoren.
In de daaropvolgende jaren, nadat het geheim van het oorlogsonderzoek was opgeheven, haastten universiteiten en onderzoekslaboratoria in het hele land zich om hun eigen grafietstapels te bouwen - kleinere versies die geen kettingreacties zouden veroorzaken, maar het onderzoek in deze ontluikende technologie zouden kunnen bevorderen. Er zijn er minstens 25 gebouwd, zegt Kord Smith, NUE '79, SM '79, PhD '80, MIT's KEPCO Professor of the Practice of Nuclear Science and Engineering. Maar tegen het begin van de jaren zestig had de kernenergie-industrie vast besloten een andere benadering te kiezen voor het ontwerpen van splijtingsreactoren, waarbij ze ofwel gewoon water ofwel zwaar water (gemaakt van zuurstof en deuterium, de zware vorm van waterstof) gebruikten in plaats van grafiet om neutronen en splitsing te vergemakkelijken. Binnen een paar jaar waren de meeste van de overgebleven grafietpalen ontmanteld of stilgelegd.
MIT was een van de eersten die in 1957 een grafietpaal bouwde, en dat apparaat was het grootste na dat van Fermi, met de helft van de breedte van het origineel. Het was net als de andere gesloten, blijkbaar in het begin van de jaren ’60, en daar stond het, vergeten, totdat professor Michael Short van NSE zich afvroeg wat er in de mysterieuze doos zat.
Het was moeilijk te geloven dat ik niet op de hoogte was van het bestaan van dit unieke apparaat, ondanks dat ik als student in Nuclear Science and Engineering heb gezeten en een langdurige samenwerking met NSE heb onderhouden, zegt Smith, die sinds 2011 lesgeeft op de afdeling. Maar toen hij eenmaal wist dat het er was, ging hij aan de slag met plannen om het weer in gebruik te nemen - deels omdat hij, door er een te gebruiken in Kansas State in de jaren zeventig, wist hoe nuttig het zou kunnen zijn voor onderzoek en onderwijs, en deels omdat hij om de 75e verjaardag van Fermi's experiment te vieren.
Het apparaat is in wezen een grote kubusvormige stapel blokken gemaakt van puur grafiet - hetzelfde materiaal dat wordt aangetroffen in potloodlood - met gaten die zijn doorboord om de uraniumstaven in te brengen. Ze zijn gemaakt van natuurlijk, niet-verrijkt uranium en zenden zulke lage stralingsniveaus uit dat ze veilig met blote handen kunnen worden gehanteerd, zegt Smith, wat Fermi en zijn medewerkers in 1942 deden.
Dit is echter niet zomaar een stukje nostalgie of een museumstuk. Veel nieuwere reactorontwerpen, zoals kiezelbedreactoren die zijn ontworpen om inherent veilig en bestand tegen kernsmelting te zijn, vertrouwen op uraniumbrandstofpellets met een grafietbekleding. Maar er zijn tegenwoordig maar heel weinig plaatsen om fundamenteel onderzoek te doen naar het gedrag van grafiet in een omgeving met kernsplijting.
De grafietstapel van MIT, gemaakt van 30 ton pure grafietstenen en 2,5 ton uranium, is nu weer in werkende staat gebracht en NSE-leden voerden een ceremoniële re-creatie uit van Fermi's historische experiment op het exacte moment van het 75-jarig jubileum van het evenement. op 2 december 2017. Dat markeerde het begin van het nieuwe leven van de paal.
Terwijl experimenten in grote nationale nucleaire onderzoeksfaciliteiten maanden van planning en strikte aanvraagprocedures vergen, zullen studenten binnen enkele dagen in staat zijn om experimenten in de grafietstapel te bouwen, te testen en resultaten te krijgen, zegt Smith. Het geeft hen ook praktische ervaring met het bedienen van een reactor.
Studenten zouden de paal in mei gebruiken om ter plaatse stralingsmetingen te doen; in het najaar gaan twee NSE-opleidingen er gebruik van maken. Het enthousiasme van de studenten is enorm, zegt Smith: Ze willen allemaal zelf brandstof laden!