核反应堆诞生75周年 MIT 重启石墨堆

MIT重启石墨堆全程回顾

1942年12月2号，在芝加哥大学StaggField橄榄球场看台下，诺贝尔奖获得者恩利克˙费米（EnricoFermi）率领实验团队首次实现了可控链式核反应——这标志着核纪元的开端，也为首个原子弹与首座核电反应堆的发展奠定基础。

75年后，为了纪念芝加哥一号堆（CP-1）首次临界，MIT在周六重启了与芝加哥事件同样具有划时代意义的一座装置。MIT的次临界实验设施与CP-1反应堆研发以及自持链式核反应一样具有里程碑式意义。

这次纪念可不仅仅是走走过场。研究人员重启了一个叫做石墨指数堆的装置，它始建于1957年，未来几年，MIT的学生将用它做次临界实验，在未来新型反应堆的设计研究上，它也将成为独特而有价值的研究工具。

该装置是由纯石墨（铅笔芯材料）制成的大立方体状堆，上面留有插入铀棒的钻孔。天然铀棒的辐射剂量很低，它很安全可以直接裸手去拿。1942年，费米和同事就是这样干的，虽然他们也有防护手套。

费米的反应堆实验之后的几十年内，美国大学和国家实验室建造了20多个类似的石墨堆来做基础研究与教学。但随着时间推移，它们大多都被处理掉了。MIT的这个堆只有费米反应堆的一半大，但却是后建石墨堆中最大的，而且保留了下来。但它已经被遗忘并闲置多年，直到去年才被MIT核科学与工程系迈克尔˙肖特（MichaelShort）教授“重新发现”。

12月2号，斯密斯教授在MIT核反应堆实验室向45位嘉宾介绍石墨指数堆的历史。

当了解到该装置还保存完整时，核科学与工程教授科尔德˙斯密斯（KordSmith）感到很惊讶。它表面有金属面板保护，看上去像一个废弃的储藏柜，路过的师生根本不会意识到它的存在。斯密斯和他在核科学与工程系的同事，以及核反应堆实验室主任大卫˙蒙克顿（DavidMoncton）迅速制定了一个重启计划，以纪念反应堆开创性实验75周年。1957年，MIT核科学与工程系学生理查德˙纳普（RidKnapp）在他的学士论文中设计了该反应堆系统。

目前，该装置的30吨石墨和2.5吨铀已经全部清理并恢复完毕，最后一块铀在12月2号也仪式性地装载完毕。这一仪式邀请了45名教师、学生和嘉宾共同见证，时间刚好是芝加哥反应堆完成的时间，当时的人数也是45人。

据史密斯介绍，随着核工业迅速从石墨堆转向轻水堆、重水堆与钠冷堆，MIT的次临界石墨堆最终被淘汰。有关石墨系统的实验与核工业关联不大。这些装置都以石墨（或水）作为慢化剂，将辐射源放出的中子的速度降低到原来的百万分之一。然后，热中子与其它铀原子相互作用并形成自持链式反应，即中子通过撞击铀原子释放更多中子，新的中子又形成一系列碰撞。CP-1的临界是通过插拔控制棒控制的。控制棒由镉制成，可以吸收中子并中断反应。

图|站在石墨指数堆前的科尔德˙斯密斯和迈卡˙盖尔。石墨堆将作为学生的教学与研究工具

如今，新一代核反应堆有很多前沿设计，包括非能动冷却系统和不停机更换燃料的设计。这些设计开始重新使用石墨，所以该反应堆再一次成为有用的研究工具。它可以让学生们亲手处理核燃料，还能更轻易的接触到反应堆。MIT虽然有满功率的研究型反应堆，但它几乎常年运行并产生6MW热能。研究型反应堆上的实验可以进行新型燃料棒包壳或监控仪器的研究，但一年只能实验一次。

据史密斯介绍，学生们将能够在石墨指数堆上进行安装、运行实验，并在几小时或几天内得到结果。石墨堆的使用有望激发学生的兴趣，并为在MIT研究性反应堆上做前沿性实验做好准备。

“过去这些年，石墨作为反应堆媒介已经来来回回启用又弃用多次，”斯密斯说，但现在“我们正在重生。”即使是今天，核反应释放的中子如何散射通过石墨的晶体结构，仍具有重要研究价值。斯密斯说，最近有人提出了新的物理模型来描述这些相互作用，我们希望使用石墨堆“来设计实验去验证这些新的理论模型。”

斯密斯认为，除了能帮助研究新的反应堆、燃料和包壳类型，对核工程专业的学生而言，石墨堆和MIT的研究堆还将成为有价值的教育工具。“我们倾向于培养善于开发计算算法和模型的学生。但如果不能对比自己的计算结果，你会以为自己的模拟是完美的。”然而，在现实世界中，实际测量通常不会与预期完美符合，懂得这些差别才有助于提升理论模型。