211service.com
Et stykke kjernefysisk historie kommer tilbake til livet
Gretchen Ertl
Den gjemte seg tilsynelatende i et siderom ved MITs Nuclear Reactor Lab, dekket med et tynt lag med metallpaneler som fikk det til å se ut som et overdimensjonert oppbevaringsskap. Men inne i den vanlige metallboksen var et viktig stykke historie - og en potensiell velsignelse for MITs forsknings- og utdanningsprogrammer innen kjernefysisk ingeniørfag.
Boksen inneholdt en eksponentiell grafitthaug - en mindre skala versjon av enhetsfysikeren Enrico Fermi bygget under tribunen på University of Chicagos fotballstadion for å innlede atomalderen. Fermis eksperiment fra 1942 brukte grafitt for å bremse ned nøytroner som kommer fra en strålingskilde med en faktor på mer enn en million. Det fikk dem til å samhandle med atomer i staver av uran satt inn i haugen, og initierte verdens første kontrollerte kjernefysiske fisjonskjedereaksjon. Det beviste teoriene som førte til den første atombomben og, ikke lenge etter, de første atomkraftreaktorene.
I de påfølgende årene, etter at hemmeligholdet til krigstidsforskningen ble opphevet, skyndte universiteter og forskningslaboratorier rundt om i landet å bygge sine egne grafitthauger - mindre versjoner som ikke ville produsere kjedereaksjoner, men som kunne fremme forskning innen denne begynnende teknologien. Minst 25 ble bygget, sier Kord Smith, NUE ’79, SM ’79, PhD ’80, MITs KEPCO-professor i praksis for kjernefysisk vitenskap og ingeniørvitenskap. Men på begynnelsen av 1960-tallet hadde kjernekraftindustrien slått seg fast på en annen tilnærming til å designe fisjonsreaktorer, ved å bruke enten vanlig vann eller tungtvann (laget av oksygen og deuterium, den tunge formen for hydrogen) i stedet for grafitt for å bremse ned nøytroner og lette fisjon. I løpet av få år ble de fleste av de gjenværende grafitthaugene demontert eller møllkule.
MIT hadde vært en av de første som bygde en grafitthaug i 1957, og den enheten var den største bygget etter Fermis, halvparten av bredden av originalen. Den ble stengt ned som de andre, tilsynelatende på begynnelsen av 60-tallet, og der satt den, glemt, helt til professor Michael Short ved NSE lurte på hva som var inne i den mystiske boksen.
Det var vanskelig å tro at jeg var uvitende om eksistensen av denne unike enheten, til tross for at jeg har vært i Nuclear Science and Engineering som student og har opprettholdt en langvarig tilknytning til NSE, sier Smith, som har undervist ved avdelingen siden 2011 Men når han først visste at den var der, var han i gang med planer om å få den i drift igjen – delvis fordi han visste, fra å bruke en i Kansas State på 1970-tallet, hvor nyttig den kunne være for forskning og utdanning, og delvis for å feire 75-årsjubileet for Fermis eksperiment.
Enheten er i hovedsak en stor kubeformet haug med blokker laget av ren grafitt - det samme materialet som finnes i blyantbly - med hull boret gjennom for å tillate innsetting av uranstenger. Laget av naturlig, uberiket uran, avgir de så lave nivåer av stråling at de trygt kan håndteres med bare hender, sier Smith, noe som Fermi og hans samarbeidspartnere gjorde i 1942.
Dette er imidlertid ikke bare litt nostalgi eller et museum. Mange nyere reaktordesigner, for eksempel rullesteinsreaktorer designet for å være iboende sikre og nedsmeltingssikre, er avhengige av uranbrenselpellets med grafittkledning. Men det er svært få steder i dag for å utføre grunnleggende forskning på grafitts oppførsel i et kjernefysisk fisjonsmiljø.
MITs grafitthaug, laget av 30 tonn rene grafittklosser og 2,5 tonn uran, er nå brakt tilbake til funksjonsdyktig tilstand, og NSE-medlemmer gjennomførte en seremoniell gjenskaping av Fermis historiske eksperiment i det nøyaktige øyeblikket av begivenhetens 75-årsjubileum, den 2. desember 2017. Det markerte starten på haugens nye liv.
Mens eksperimenter i store nasjonale kjernefysiske forskningsanlegg krever måneder med planlegging og strenge søknadsprosesser, vil studentene kunne bygge, teste og få resultater fra eksperimenter i grafitthaugen i løpet av dager, sier Smith. Det vil også gi dem praktisk erfaring med drift av en reaktor.
Studentene skulle bruke haugen i mai til å foreta strålingsmålinger in situ; til høsten vil to NSE-kurs bruke det. Studentenes begeistring er enorm, sier Smith: De ønsker alle å laste drivstoff selv!