馬斯特大學核反應堆

馬斯特大學核反應堆( MNR) 建設於1957年，於1959年正式投入使用，位於加拿大哈密爾頓市麥克馬斯特大學，是在大英國協國家大學中唯一一個以大學研究為基礎的核反應堆。如今的MNR 用戶包括學生、學者、小型企業和國際行業領導者等。MNR 是一個通過輕水慢化和冷卻濃縮鈾燃料的核池式反應堆，提供多種輻射、實驗和控股設施，包括一個粒子回旋加速器、一個加速器、小角度中子散射探測器和廣角中子散射設施。

基本介紹

• 中文名：馬斯特大學核反應堆
• 外文名：McMaster Nuclear Reactor
• 地點：加拿大，安大略省，哈密爾頓
• 類型：池式反應堆
• 最大功率：5 MW
• 目前狀態：運營中
• 建設時間：1957 年
• 又稱：麥克馬斯特大學核反應堆
• 官方網址：http://mnr.mcmaster.ca

簡介

馬斯特核反應堆( MNR ) 建設於1957年，於1959年正式投入使用，是在大英國協國家大學中唯一一個以大學研究為基礎的核反應堆。最初的設計是以1 MW的最大功率運行，在20世紀70年代升級到目前的5 MW等級，最大熱中子通量為1×1014箇中子/ 平方厘米·秒。 MNR被歸類為中等通量反應堆，它是迄今為止在加拿大大學最大的研究堆。

馬斯特核反應堆是一種開放式池式材料試驗反應堆（MTR），具有低濃度鈾（LEU）燃料的核心，由輕水緩和並冷卻。 一級和二級冷卻系統用於消除在反應堆核心產生的熱量，外部冷卻塔作為最終的散熱器。 反應堆被安置在混凝土建成建築內，工作時間一般為周一至周五的上午8時至下午12時，以3 MW的熱功率運行。

該核反應堆的設計考慮到其最終用途作為一個多用途的研究設施， 其開放式池式設計可以方便地訪問反應堆堆芯，並允許中子輻射的樣品輕鬆插入和移除，具有許多其他類型的反應堆所缺乏的一定程度的靈活性。 同樣，在反應堆結構中建立了幾個光束管，今天，由這些光束管發射出中子束用於包括中子射線照相和中子衍射實驗的套用。 MNR在反應堆遏制建築物內還有一個用於處理高放射性樣品的工業熱電池。

馬斯特核反應堆的工作人員每年進行成千上萬的中子輻射實驗，許多實驗都是關於工業的，包括採礦勘探，環境樣品。 MNR世界領先生產碘-125，碘125是用於治療前列腺癌的放射性同位素，每周可以生產數百劑。 來自MNR的中子也被Nray 服務公司用於噴氣發動機的渦輪葉片上進行質量保證測試。MNR的研究活動繼續擴大，2009年安裝了新的中子衍射儀，目前正在設計一個最先進的正電子束設備。

麥克馬斯特核反應堆也經常有公眾宣傳活動，如開放式漢密爾頓，為麥克馬斯特學生和公眾參與反應堆設施的導遊提供機會。 每年有超過1500名觀眾訪問MNR，關注核科學，並觀察反應堆核心的“藍光”。

地理位置

麥克馬斯特大學的校園位於安大略湖西端著名的港口城市漢密爾頓市，漢爾頓市離多倫多、尼亞加拉瀑布及加拿大邊境城市開車僅一小時車程。漢密爾頓是一個安全、友好、清潔、美麗的中等城市，為學生提供了一個良好的學習、生活及工作環境。

馬斯特大學核電站正坐落於加拿大的麥克馬斯特大學校園內，位置為北緯43°15′48″N，西經79°55′8″

如何運行

麥克馬斯特核反應堆是一種具有輕水調節劑和開放池設計的中等通量核裂變反應堆。

核燃料

麥克馬斯特核反應堆以及其一代的所有反應堆最初設計使用高濃縮鈾（HEU，> 20% U-235）作為燃料來運行，但在二十世紀九十年代，由於擔心這種材料存儲在民用設備上，容易成為尋求創造核武器的不法分子的目標，所以全球核能社區轉向遠離使用高濃鈾作為反應堆燃料。 與此同時，MNR參加了由美國能源部和國際原子能機構協同推出的“研究和測試反應堆減排濃縮計畫”，致力於通過在全球遏制研究堆使用高濃縮鈾。經過 10多年的努力，馬斯特核反應堆於2007年4月轉為低濃度鈾（LEU，<20% U-235）核燃料，使MNR符合目前的核材料不擴散國際準則。
許多反應堆使用的是燃料束，即由許多圓柱形顆粒端對端堆疊，以形成分組為“束”的燃料“棒”，而MNR使用的板式核燃料。每個燃料板由燒結矽化鈾（U₃Si₂）和鋁的混合物組成，具有鋁的外塗層（或“包層”），其防止矽化鈾和各種裂變產物溶解到反應池中並產生污染。 燃料板在鋁殼內彼此間隔一定距離堆疊，形成“燃料組件”（見下圖）。 這些燃料組件中的通過一定的排列布置在反應器池中以實現受控的自維持鏈式反應，形成核反應堆的核心。

板式核燃料的核燃料組

控制裂變

核反應堆有一個濃縮鈾燃料組件核心，可以使用中子源啟動反應：放射性物質發射足夠的中子推動核鏈反應。 一個常用的中子源是氪-252，其自發地經歷α衰變和核裂變，產生中子。 另一個選擇是使用化學元素鈹和銻的放射性同位素（銻-124）的混合物：在這種情況下，當銻--124發生放射性衰變時，由銻-124發出的高能γ射線與附近的鈹原子相互作用，使它們產生中子。在MNR使用包含在鋁中的銻-124 /鈹中子源來啟動反應堆核心中的核鏈反應。

除了在反應堆核心中引發核裂變之外，重要的是能夠控制鈾原子發生裂變的速率。如果核鏈反應不受限制地傳播，隨著越來越多的中子產生，裂變速率將迅速增加，導致大量的能量和熱量幾乎瞬時的釋放。相比之下，在核反應堆中，使用“控制棒”嚴格控制核燃料裂變的速率：使用中子吸收材料的圓柱體插入反應堆芯中以吸收由鈾-235燃料裂變釋放的一部分中子。為了在反應堆啟動時引發連鎖反應，控制棒被部分抽出，使得它們吸收較少的中子，一旦反應器即發生連鎖反應，則將控制棒稍微插入芯中，以便將裂變速率降低到所需值並將其維持在該水平。控制棒必須由易於吸收或捕獲中子的材料製成，但不容易發生核裂變。 適用於本套用的材料包括碳化硼和重金屬鎘。 MNR使用由銀，銦和鎘合金組成的控制棒，因為這三種金屬中的每一種能夠捕獲與其他兩種金屬不同的動能的中子，使合金高效地調節反應堆堆芯內的中子群或“通量”，從而控制裂變速率。

控制核反應堆裂變率的另一重要組成部分是慢化劑。中子慢化劑的作用是降低或緩和快中子的速度（動能），並將其轉化為緩慢移動的熱中子以增強核裂變。適合用作慢化劑的材料必須能夠減緩中子而不吸收或“捕獲”中子。 常用的中子減速劑包括去離子水、“重水”和高密度碳的石墨。 重水具有吸收非常少的中子的優點，允許核鏈反應有效地進行，但是比常規的“輕”水要貴得多。 像今天運行中的大多數核反應堆一樣，馬斯特核電站採用嚴格純化的輕水作為其主要的慢化劑，因為輕水的容易獲得，輕水對於由其中子吸收率引起的降低的裂變效率來說是足夠的。 在許多核反應堆（包括MNR）中，慢化劑也可以作為反應堆冷卻劑。

冷卻系統

在許多情況下，反應堆的中子慢化劑也充當冷卻劑。例如，在MNR，反應器池水（慢化劑）吸收在核心釋放的熱能。為了防止過熱和沸騰，池水不停滯，它通過反應堆核心連續向下循環，並通過池底部的特殊孔徑從主泵向其引導到一個熱交換器，其熱能在被送回到反應池中之前傳遞到二級冷卻系統（見上圖）。冷卻塔用作熱交換器，從二次冷卻系統（綠色）中消除熱量（熱能）並將其傳輸到大氣中 - MNR核心中產生的熱量的最終目的地。因為池水（主冷卻系統，淡藍色）不與冷卻塔直接接觸，所以池水中的任何污染物都不能逃逸到大氣中。

麥克馬斯特大學核反應堆一級和二級冷卻系統示意圖

結構特點

因為MNR是在20世紀50年代建成的 ，那個時候化石燃料價格低廉，對環境污染的考慮遠遠低於當今的水平 ，目前還沒有系統恢復和利用MNR創造的能源。而且，麥克馬斯特核反應堆的設計是用於研究，而不是用於發電。考慮到其用途，實施了一個“開放池”反應器設計，因為它允許容易地進入用於實驗目的的反應堆堆芯，例如插入用於中子照射的樣品。

儘管用於研究目的的大多數核反應堆在露天池設計方面有一些變化，但是與用於能源生產的核反應堆在外觀上是截然不同的。研究反應堆被浸入到大氣中的調節劑/冷卻劑池中，而動力反應堆的核心被包含在稱為壓力容器或加熱器的密封容器中。當計畫最初在McMaster安裝核反應堆時，因為反應堆位於人口密集的大學校園的中間，該設施的設計者考慮到了最大的安全性，決定包括一個完整的混凝土遏制結構，但從安全的角度來看，一個不太健全的結構就足夠了。麥克馬斯特核反應堆的遏制建築 - 一個15面混凝土多面體 ，是麥克馬斯特大學校園中易識別的結構之一。考慮到設計的最大安全性，建築的基礎是一個1.5米厚的鋼筋混凝土墊，及時在漢密爾頓地區發生的小地震在裡面也感受不到。牆壁（70厘米厚的鋼筋混凝土）和屋頂（最小厚度為30厘米）具有同樣堅固的結構。

歷史沿革

在20世紀50年代中期，哈里·托德博士成功地遊說了加拿大國家研究委員會和當地工業的資金，在麥克馬斯特大學建立了研究堆。 這些資金是在1956年6月之前獲得的，而在那一年的11月，建立反應堆的契約被授予AMF Atomics 公司（加拿大）。 選擇的設計是用於操作靈活性的池式反應器，其周圍具有完整的密封結構，以實現最大的安全性。

從1957年9月開始，通過1958年9月完成封閉結構，直到1959年4月10日舉行的麥克馬斯特核反應堆正式開幕式。

1994年，諾貝爾物理獎授予加拿大麥克馬斯特大學教授布羅克豪斯和美國麻省理工學院教授沙爾，以表彰他們對中子散射技術的發展所做的貢獻。

2009年春季，麥克馬斯特核反應堆成立五十周年，首次組織了一系列活動來慶祝。從MNR早期的研究先驅，當地政治家，當前和過去的MNR工作人員，目前使用MNR設施的教師和麥克馬斯特大學的官員都參加了這次活動。

主要套用

產品與服務

麥克馬斯特核反應堆保留了一批在核分析技術，設備設計和製造，核安全評估和放射性同位素生產等領域具有專長的高素質人員。 除了支持校內研究和教育，MNR的工作人員還向學術和工業客戶提供了一些產品和服務。

產品包括：醫用同位素、研究級同位素、技術級同位素；提供的服務包括：中子活化分析、中子輻射、核測年技術、中子衍射、中子放射線照相術、技術套用服務，詳細的信息可以訪問McMaster核反應堆官網。

科學研究

麥克馬斯特核反應堆是一個多學科的研究環境，為教師和學生研究人員提供了獲得各種技術和技術的實踐經驗的機會。 除了核反應堆本身，麥克馬斯特大學校園擁有相當多的相關基礎設施和設施，使大學成為下一代核技術人員，科學家和工程師的培訓的主要中心。

除了利用反應堆進行研究的眾多教員和研究生外，幾個本科課程還包括涉及核反應堆的實驗。 每年有幾十名參加醫學物理與套用輻射科學與工程物理部門課程的學生有機會使用氣動樣本轉移系統進行自己的中子照射，制定自己的伽馬計數實驗放射性標準，測量反應堆核心內部和周圍的中子的空間分布，甚至在反應堆操作啟動時在池邊站立。 麥克馬斯特是加拿大唯一一所可以使本科生有機會獲得中等通量核反應堆的實踐經驗的大學，作為其教育經驗的一部分。