Το ατύχημα του αντιδραστήρα αδράνει σχεδόν τη μισή έρευνα των ΗΠΑ με δέσμες νετρονίων
Ένα ατύχημα τον Φεβρουάριο έκλεισε έναν μικροσκοπικό πυρηνικό αντιδραστήρα στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) - και κόστισε στις Ηνωμένες Πολιτείες, τουλάχιστον προσωρινά, σχεδόν το ήμισυ της ικανότητάς τους να μελετούν υλικά με δέσμες νετρονίων. Στο περιστατικό, μια ράβδος καυσίμου στον 52χρονο αντιδραστήρα στο NIST Center for Neutron Research (NCNR) στο Gaithersburg, Maryland, υπερθερμάνθηκε και έλιωσε μερικώς, απελευθερώνοντας μικρή ποσότητα ακτινοβολίας. Το κοινό δεν κινδύνευσε ποτέ, λέει η NIST. Ωστόσο, ο αντιδραστήρας δεν θα επανεκκινήσει μέχρι τον Απρίλιο του 2022 το νωρίτερο, αφήνοντας χιλιάδες χρήστες να προσπαθούν να βρουν χρόνο δέσμης αλλού.
«Σκοπεύουμε πλήρως να επανεκκινήσουμε τον αντιδραστήρα», λέει ο Robert Dimeo, διευθυντής του NCNR. "Θα το κάνουμε μόνο όταν είμαστε σίγουροι ότι είναι ασφαλές να το κάνουμε."
Εν τω μεταξύ, η διακοπή λειτουργίας είναι «ένα τεράστιο πρόβλημα», λέει ο Robert Birgeneau, ένας φυσικός συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια (UC), στο Μπέρκλεϊ, του οποίου η ομάδα χρησιμοποίησε την πηγή νετρονίων για να μελετήσει εξωτικούς υπεραγωγούς με βάση τον σίδηρο. Ο Μάικλ Χορ, φυσικός πολυμερών στο Πανεπιστήμιο Case Western Reserve, λέει ότι το κλείσιμο θα βάλει ένα από τα έργα του 1 ή 2 χρόνια πίσω. «Δεν είναι ότι μπορούμε να πάμε κάπου αλλού», λέει. "Υπάρχουν μόνο τόσα πολλά όργανα και όλα έχουν υπερσυνδρομηθεί ως έχει."
Τα νετρόνια που απελευθερώνονται όταν διασπώνται οι ατομικοί πυρήνες μπορούν να ανιχνεύσουν υλικά με τρόπους που οι ακτίνες Χ δεν μπορούν. Ενώ οι ακτίνες Χ αλληλεπιδρούν τόσο με τα ηλεκτρόνια όσο και με τους ατομικούς πυρήνες σε ένα δείγμα, τα αφόρτιστα νετρόνια αναπηδούν μόνο από τους πυρήνες, παρέχοντας έναν συμπληρωματικό ανιχνευτή της δομής ατομικής κλίμακας ενός υλικού. Μπορούν επίσης να διεισδύσουν σε υλικά που δεν μπορούν οι ακτίνες Χ, επιτρέποντας στους ερευνητές να απεικονίσουν το εσωτερικό μεγάλων αντικειμένων, όπως ένας κινητήρας σε λειτουργία ή μια χαλύβδινη δοκός. Επειδή τα νετρόνια λειτουργούν σαν μικροί μαγνήτες, μπορούν να αποκαλύψουν τα μοτίβα του μαγνητισμού σε ατομική κλίμακα μέσα στα υλικά.
Ο Hore χρησιμοποιεί νετρόνια για να διερευνήσει τη δυναμική των πολυμερών, των αλυσιδωτών μορίων στα πλαστικά και πολλών βιολογικών υλικών. Αντικαθιστώντας το υδρογόνο σε ένα συγκεκριμένο μέρος ενός μορίου με δευτέριο -το οποίο τα νετρόνια είναι πιο πιθανό να αναπηδήσουν- οι ερευνητές μπορούν να παρακολουθήσουν αυτό το κομμάτι του μορίου σε ένα συνονθύλευμα παρόμοιου υλικού, λέει ο Hore. Τα νετρόνια προκαλούν επίσης λιγότερη ζημιά στα ευαίσθητα δείγματα από τις ακτίνες Χ, λέει η Tonya Kuhl, χημικός μηχανικός στο UC Davis. "Μπορείτε απλώς να ανατινάξετε βιολογικά δείγματα με νετρόνια και δεν είναι πρόβλημα", λέει.
Ο αντιδραστήρας NCNR παράγει μόλις 20 μεγαβάτ θερμότητας—λιγότερο από 1% όσο ένας τυπικός αντιδραστήρας ισχύος—και είναι η μικρότερη από τις τρεις κύριες πηγές νετρονίων στις Ηνωμένες Πολιτείες. Τα άλλα δύο είναι ο αντιδραστήρας ισοτόπων υψηλής ροής (HFIR) των 85 μεγαβάτ στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge του Υπουργείου Ενέργειας (DOE) και η Πηγή Νετρονίων Spallation $1,4 δισεκατομμυρίων (SNS), επίσης στο Oak Ridge, που εκτοξεύει πρωτόνια από έναν επιταχυντή σε ένας στόχος για την εκτόξευση παλμών νετρονίων.
Ωστόσο, τα 29 φασματόμετρα, εικόνες και άλλα όργανα του NCNR σχεδόν ισοδυναμούν με το σύνολο των HFIR και SNS μαζί και το εργαστήριο εξυπηρετεί περισσότερους από 2600 ερευνητές κάθε χρόνο. Οι επιστήμονες πιστώνουν το 194 προσωπικό του εργαστηρίου για την επιτυχία του. "Κατά έναν περίεργο τρόπο, η ύπαρξη αντιδραστήρα χαμηλότερης ισχύος τους ανάγκασε να είναι πιο δημιουργικοί", λέει ο Birgeneau.
Στις 3 Φεβρουαρίου, η έρευνα στο NCNR σταμάτησε απότομα. Στις 8 π.μ. εκείνης της Τετάρτης, οι χειριστές άρχισαν να επανεκκινούν τον αντιδραστήρα μετά από διακοπή ανεφοδιασμού, σύμφωνα με μια έκθεση NIST που υποβλήθηκε στη Ρυθμιστική Επιτροπή Πυρηνικών (NRC) τον περασμένο μήνα. Στις 9:07 π.μ., η ισχύς του αντιδραστήρα έπεσε από 15 μεγαβάτ σε 7 μεγαβάτ. Μέσα σε 1 λεπτό, παρακολουθεί την ανιχνευόμενη ακτινοβολία στο κτίριο περιορισμού από οπλισμένο σκυρόδεμα του αντιδραστήρα. Στις 9:09 π.μ., αυτοματοποιημένα συστήματα έκλεισαν τον αντιδραστήρα και σφράγισαν το κτίριο.
Αναγνωρίζοντας ότι το καύσιμο ουρανίου του αντιδραστήρα μπορεί να έχει υποστεί ζημιά, ο χειριστής εξέδωσε αμέσως μια προειδοποίηση, τον πιο επείγοντα συναγερμό που μπορεί να ηχήσει μια ερευνητική εγκατάσταση, λέει ο Scott Burnell, εκπρόσωπος του NRC. Το λιώσιμο καυσίμου είναι σπάνιο σε ερευνητικούς αντιδραστήρες, λέει ο Dale Klein, πυρηνικός μηχανικός στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, στο Ώστιν, ο οποίος προήδρευσε στο NRC από το 2006 έως το 2009. «Ήμουν ο διευθυντής του ερευνητικού μας αντιδραστήρα», λέει, «και Ο χειρότερος εφιάλτης ήταν η αστοχία καυσίμου.»
Ωστόσο, τα συστήματα ασφαλείας λειτούργησαν. Το 10 προσωπικό που βρισκόταν τότε στο κτίριο του περιορισμού έλαβε μια δόση ακτινοβολίας περίπου ίση με αυτή από μια τομογραφία υπολογιστή, λέει ο ιστότοπος του NIST. Μόνο ίχνη τριών ραδιενεργών ισοτόπων διέφυγαν από το κτίριο και η ακτινοβολία στα όρια της πανεπιστημιούπολης 2,34 τετραγωνικών χιλιομέτρων του NIST δεν αυξήθηκε ποτέ πάνω από τα επίπεδα φόντου, σύμφωνα με τον ιστότοπο.
Το NIST εντόπισε τις ρίζες του ατυχήματος σε ένα λάθος στον ανεφοδιασμό του αντιδραστήρα ένα μήνα νωρίτερα. Συνήθως, οι χειριστές αντικαθιστούν τα παλαιότερα τέσσερα από τα 30 ράβδους στοιχεία καυσίμου και αναδιατάσσουν τα άλλα. Δουλεύοντας με αίσθηση, χρησιμοποιούν ένα ειδικό εργαλείο για να κλειδώνουν κάθε στοιχείο στη θέση του στρίβοντάς το σε έναν μηχανισμό μανδάλωσης με ελατήριο και ένα άπειρο πλήρωμα δεν κατάφερε να ασφαλίσει ένα στοιχείο. Το νερό ψύξης που κυκλοφορούσε στη συνέχεια το σήκωσε από τη θέση του, εμποδίζοντας τη ροή γύρω του. Όταν ο αντιδραστήρας επανεκκινήθηκε, το στοιχείο υπερθερμάνθηκε και μέρος της επένδυσης αλουμινίου του έλιωσε.
Η εναλλαγή προσωπικού και η θεσμική κουλτούρα έπαιξαν ρόλο στο ατύχημα, σύμφωνα με την έκθεση της NIST. Το 2011, εννέα από τους 21 χειριστές αντιδραστήρων του NCNR είχαν περισσότερα από 20 χρόνια εμπειρίας. Τώρα, μόνο τρεις από τους 22 το κάνουν. Η NIST βασίστηκε επίσης πάρα πολύ στην πρακτική εκπαίδευση και πολύ λίγο σε σαφείς διαδικασίες για να καθοδηγήσει τους χειριστές, αναφέρει η έκθεση. "Δεν κάναμε αυτή τη μετάβαση αποτελεσματικά από ένα εργατικό δυναμικό που βασίζεται στις δεξιότητες σε ένα εργατικό δυναμικό που βασίζεται στη γνώση", λέει ο Dimeo.
Ο αντιδραστήρας δεν υπέστη ζημιά πέρα από το υπερθερμασμένο στοιχείο καυσίμου, λέει ο Dimeo. Οι εργαζόμενοι έχουν αφαιρέσει όλα τα στοιχεία εκτός από τρία και τώρα σχεδιάζουν να καθαρίσουν τα συντρίμμια από τον πυρήνα και να καθαρίσουν το δευτεριωμένο νερό ψύξης, λέει, πράγμα που σημαίνει ότι ο αντιδραστήρας δεν μπορεί να επανεκκινήσει πριν από τον Απρίλιο. Ωστόσο, το NCNR χρειάζεται τη ρητή άδεια του NRC για να το επανεκκινήσει και οι υπάλληλοι του εργαστηρίου πρέπει να πείσουν την επιτροπή ότι έχουν εξαλείψει τα αίτια του ατυχήματος, το οποίο μπορεί να διαρκέσει περισσότερο, λέει ο Burnell. Ωστόσο, λέει, "Ο οργανισμός κατανοεί απολύτως τη σημασία της εγκατάστασης και θα κάνουμε την πιο γρήγορη και ενδελεχή αξιολόγηση που μπορούμε."
Μια απελευθέρωση ακτινοβολίας οδήγησε στην απώλεια μιας άλλης πηγής νετρονίων πριν από 2 δεκαετίες. Το 1996, οι ερευνητές βρήκαν τρίτιο στα υπόγεια ύδατα κοντά στην πηγή που βασίζεται στον αντιδραστήρα στο Εθνικό Εργαστήριο του DOE Brookhaven. Αν και η διαρροή ήταν μικρή και περιοριζόταν στην πανεπιστημιούπολη του Brookhaven, η δημόσια κατακραυγή οδήγησε την DOE να κλείσει οριστικά τον αντιδραστήρα το 1999.
Το NIST ελπίζει ότι η διαφάνεια θα αποτρέψει μια παρόμοια κατακραυγή. Πραγματοποίησε μια εικονική συνάντηση με κατοίκους των προαστίων που περιβάλλουν το εργαστήριο στις 10 Φεβρουαρίου, λέει η Jennifer Huergo, εκπρόσωπος της NIST. Το NIST δημοσιεύει επίσης τις επικοινωνίες του με το NRC στον ιστότοπό του και ενημερώνει τους κατοίκους μέσω email, λέει η Huergo. «Μόλις λάβουμε ερωτήσεις, απαντάμε όσο πιο γρήγορα μπορούμε». Το κλείσιμο έρχεται καθώς οι Ηνωμένες Πολιτείες έχουν χάσει το προβάδισμα στους πόρους νετρονίων. Η DOE έκλεισε μια πηγή νετρονίων που βασιζόταν σε επιταχυντή στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne το 2008 και, το 2015, σταμάτησε να υποστηρίζει τη βασική έρευνα σε μια πηγή που βασίζεται σε επιταχυντές που εξακολουθεί να λειτουργεί στο Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος. «Η Ευρώπη μας έχει κερδίσει με συντελεστή τρεις, η Ασία μας έχει κερδίσει με συντελεστή δύο», λέει ο Kuhl. "Θα ήταν καταστροφικό να χάσουμε περισσότερες δυνατότητες."
Ακόμη και πριν από το ατύχημα, οι ερευνητές ανησυχούσαν για τις πηγές νετρονίων που βασίζονται στον αντιδραστήρα. Τόσο ο αντιδραστήρας του NCNR όσο και το 55χρονο HFIR λειτουργούν με καύσιμο «υψηλού εμπλουτισμού», στο οποίο περισσότερο από το 90% του ουρανίου είναι το σχάσιμο ισότοπο ουράνιο-235. Κατ' αρχήν, τέτοιο καύσιμο θα μπορούσε να μετατραπεί σε πυρηνική βόμβα. Ως μέρος των προσπαθειών των ΗΠΑ κατά της διάδοσης, και οι δύο αντιδραστήρες υποτίθεται ότι θα μετασκευαστούν για να χρησιμοποιούν καύσιμο που περιέχει λιγότερο από 20% ουράνιο-235 όταν αυτό γίνει διαθέσιμο, ίσως στη δεκαετία του 2030. Τα τελευταία χρόνια, επιτροπές εμπειρογνωμόνων συμβούλεψαν επίσης το NIST και το DOE να σχεδιάσουν την αντικατάσταση των παλιών αντιδραστήρων.
Ο σχεδιασμός πρέπει να ξεκινήσει τώρα γιατί θα χρειαστούν 10 έως 20 χρόνια για την κατασκευή ενός νέου αντιδραστήρα, λέει ο Birgeneau. Ο αντιδραστήρας του NCNR έχει αδειοδοτηθεί έως το 2029 και η Dimeo οραματίζεται να ανανεώσει την άδειά του ακόμη και όταν το NIST διερευνά την αντικατάστασή του. «Από την οπτική μας», λέει, «τα νετρόνια είναι εδώ για να μείνουν στο NIST».
