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阿普萨拉:特龙贝建成的1兆瓦水池反应堆,1956年8月4日达到临界,是苏联以外亚洲的第一座反应堆,2018年9月10日以2兆瓦的“阿普萨拉U”重新启动
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阿普萨拉:特龙贝建成的1兆瓦水池反应堆,1956年8月4日达到临界,是苏联以外亚洲的第一座反应堆,2018年9月10日以2兆瓦的“阿普萨拉U”重新启动

插图:tuput

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阿普萨拉1956年8月4日首次维持住链式反应,此后五十多年里一直是物理研究、同位素生产和印度反应堆工程师培训的工具。它的重建后继者“阿普萨拉U”于2018年9月10日用印度自产的铀燃料达到临界。

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阿普萨拉于1956年8月4日在孟买(当时称Bombay,今称Mumbai)近郊的特龙贝原子能研究所首次达到临界,也就是核链式反应能够自行持续的那一刻。巴巴原子研究中心(BARC)是该研究所的后继机构,它把阿普萨拉列为一座一兆瓦的游泳池式反应堆,称其为亚洲第一座研究堆。历史学者贾伊塔·萨尔卡尔的说法更为严谨:这是苏联以外亚洲第一座投入运行的反应堆。特龙贝研究所的N·B·普拉萨德和A·S·拉奥1959年的一份报告,则把它描述为亚洲第一座投入运行的原子反应堆。

它的重建后继者“阿普萨拉U”(Apsara-U),据原子能部次日发布的新闻稿,于2018年9月10日18时41分在特龙贝“诞生”。这份新闻稿说,两座反应堆相隔将近62年。

八米深的水池,堆芯挂在小车上

游泳池式反应堆把燃料放在一个深水池里,水就是普通的水。BARC2021年1月至2月的通讯给出阿普萨拉水池的尺寸:不锈钢衬里,长8.4米,宽2.9米,深8米,池中注满去矿质的轻水。燃料是浓缩铀与铝的合金板,外面包着铝壳。BARC的反应堆表格给出燃料总量为4.5千克,用镉制停堆棒,轻水既是慢化剂又是冷却剂。慢化剂指的是让中子减速的材料,减速后的中子更容易使铀原子分裂。BARC的一篇会议论文补充说,这些水还充当反射层和辐射屏蔽。

堆芯挂在一辆可移动的小车上,可以停在三个位置,因此可以紧挨着团队所需的任何一处实验设施。1959年的报告列出了一个热柱(一块把慢化后的中子送出来的材料块)、八个实验孔、堆芯旁一条供振荡实验用的贯通通道,以及一个专门的屏蔽角。BARC的表格给出最大中子通量为每平方厘米每秒10^13个中子,即10万亿个。通讯说平均值约为10^12。

1兆瓦是设计的最大值。S·M·松达拉姆(S. M. Sundaram)1985年在国际原子能机构的一次研讨会上提交、1987年发表的一篇BARC论文,则把阿普萨拉列为400千瓦。

英国的图纸,印度的建造者

各来源一致认为阿普萨拉得到过外国帮助,但对究竟是哪个国家有分歧。萨尔卡尔写道,1954年末英国原子能管理局向原子能部提供了水池式反应堆的工程图纸和技术数据,还有六千克浓缩铀燃料棒。原子能部的工程师随后利用英国的技术诀窍和进口的燃料棒、阀门及其他部件建成了这座反应堆;她还补充说,法国原子能委员会也提供了浓缩铀。《世界核新闻》2018年称阿普萨拉是法国供应的反应堆,并把特龙贝的开工时间定在1955年5月。

印度一方的贡献在好几处都有记载。塔塔基础研究所(TIFR)的维伦德拉·辛格写道,阿普萨拉的控制系统是在TIFR制造的。萨尔卡尔指出,印度的人员通过亲手建造这座反应堆获得了技术经验。1957年1月的落成典礼上,据萨尔卡尔引述的讲话,总理贾瓦哈拉尔·尼赫鲁说,这座水池反应堆“几乎完全是我们年轻的印度科学家和建设者的成果”。

BARC说,霍米·巴巴1954年1月设立了特龙贝原子能研究所,作为他的核计划所需的多学科工作的基地。他本人的生平见霍米·巴巴与原子能计划的人物介绍。

五十年的实验、同位素与培训

BARC的通讯列出了这座反应堆五十年左右的用途:中子物理、裂变物理、放射化学、生物学、辐照技术,以及反应堆技术的研究与开发。通讯说,借助阿普萨拉发展出来的中子活化分析技术,在化学、考古学和法医学中得到了广泛应用。这种方法是把样品放进中子束里,样品随后放出的辐射能够识别其中含有的元素,哪怕含量极微。

阿普萨拉的屏蔽角也是一个试验台。通讯说,那里做的屏蔽实验检验了德鲁瓦(Dhruva)反应堆、印度的加压重水动力堆,以及500兆瓦电功率的原型快中子增殖反应堆所用屏蔽的设计;这座增殖堆2026年4月首次达到临界,见另一篇文章。

BARC的两篇论文为同位素计划标注了年代。马宗达(Mazumdar)和辛格(Singh)写道,印度的放射性同位素生产始于1956年8月阿普萨拉投入运行,1960年投运的40兆瓦CIRUS反应堆把它提升到工业规模,而自1985年起运行的德鲁瓦又同时提高了质量和数量。1987年松达拉姆的论文说,特龙贝的研究堆被有效地用作核电计划人才的培训工具。通讯对阿普萨拉和CIRUS也有同样的说法:早年在这两座反应堆上积累运行经验的人,后来主持了后续的核项目。通讯还补充说,开放式水池加可移动堆芯的简单设计,使阿普萨拉很受研究人员欢迎。

1957年1月的落成与名字的由来

辛格写道,尼赫鲁1957年1月20日正式为特龙贝的实验室揭幕。曾在原子能部工作的K·S·帕塔萨拉蒂2003年在《论坛报》上讲述了这前后的经过。据他所述,一名摆弄小型电话交换机的制图员M·松达拉姆听到身后有人要求紧急接通尼赫鲁,随后巴巴告诉尼赫鲁,水池反应堆已在1956年8月4日达到临界。帕塔萨拉蒂写道,尼赫鲁在落成典礼上给这座反应堆起名“阿普萨拉”,把它形容为天上的仙女或水中的精灵。电话的这段故事只出自这一份回忆。

塔塔研究所的档案保存了尼赫鲁同一天的话。他说,无论情势如何,“我们绝不会把这种原子能用于邪恶的目的”,并补充说,给这样的保证附加条件,只会让它一事无成。

2009年关闭,或2010年

官方和BARC的来源对第一代阿普萨拉的结束给出了两个日期。新闻信息局2018年的新闻稿说反应堆2009年关闭,2021年的通讯说它2009年永久关闭。BARC的一篇会议论文说,它在2009年5月关闭,进行部分退役并升级到2兆瓦。BARC的反应堆表格说它2010年永久关闭,2022年的一篇BARC论文把它和CIRUS并列,说两者都在2010年永久关闭。这些来源没有解释出入从何而来,本文以2009年作为为升级而关闭的时间。

阿普萨拉U:用印度自产燃料的2兆瓦堆芯

原子能部的新闻稿说,阿普萨拉U是本土制造的,使用低浓缩铀的板型弥散燃料元件。新闻稿说,更高的中子通量将使印度自己生产的医用放射性同位素增加约百分之五十,这座反应堆还将用于核物理、材料科学和辐射屏蔽方面的研究。

BARC的表格给出了详细参数。最大热功率为2兆瓦,燃料是铝合金包壳的硅化铀板,堆芯坐落在有64个栅格位置的栅板上,最大中子通量为每平方厘米每秒61万亿(6.1 x 10^13),约为旧反应堆设计值的六倍。反射层是氧化铍,控制棒是铪。通讯说,堆芯与旧阿普萨拉一样仍挂在可移动的小车上,可停在三个位置,并描述了两项着眼于安全的改动:冷却水自上而下流过堆芯,并经过一个延迟水箱,让寿命短的放射性在进入循环之前衰减;水池顶部的一层热水则降低池面的辐射。BARC称这种热水层设计在印度尚属首创。BARC的会议论文还补充了满足抗震鉴定标准的新反应堆厂房和两套相互独立的停堆装置。通讯说,选用低浓缩铀是为了符合国际要求。

阿普萨拉U已经进入日常运行。BARC在2025年创始人纪念日的演讲中报告说,德鲁瓦和阿普萨拉U在这一年里安全运行,这些反应堆用于辐照约500个样品,以生产医用和工业放射性同位素等,国产研制的硅化铀燃料在阿普萨拉U中的燃耗已达到每吨55,000兆瓦日。

阿普萨拉在特龙贝反应堆中的位置

BARC的反应堆表格和通讯标明了特龙贝其他反应堆的日期:与加拿大合作建造的CIRUS,1960年7月10日临界;用于栅格研究的100瓦重水堆ZERLINA,1961年1月14日;以及100兆瓦的德鲁瓦,1985年8月8日,最大通量为1.8 x 10^14。外国记录中有一点中性的内容应放在这里。萨尔卡尔引述1961年9月美国国家安全委员会的一份研究,认为阿普萨拉和ZERLINA只能生产少量的研究用钚,而CIRUS若为此目的运行则可能生产大量的钚。

BARC2022年的一篇论文说,一座40兆瓦的高通量研究堆正在为该中心的维沙卡帕特南厂址设计,以保持放射性同位素计划的持续。

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资料来源与延伸阅读

  1. Bhabha Atomic Research Centre: Research Reactors in BARC (Apsara-U, Apsara, ZERLINA, CIRUS, Dhruva)
  2. BARC Newsletter, January to February 2021: Kunal Chakrabarty and C. G. Karhadkar, Research Reactors in BARC: History, Development and Utilization
  3. Press Information Bureau, Department of Atomic Energy: Apsara-U Reactor Becomes Operational at Bhabha Atomic Research Centre, Trombay (11 September 2018)
  4. N. B. Prasad and A. S. Rao, The Swimming Pool Reactor, Apsara (Atomic Energy Establishment, Trombay technical report, 1959), record at the US Office of Scientific and Technical Information
  5. Jayita Sarkar, Ploughshares and Swords: India's Nuclear Program in the Global Cold War (Cornell University Press, 2022, open access)
  6. Virendra Singh (TIFR), Homi Jehangir Bhabha: Architect of Modern Science and Technology in India (arXiv, 2009)
  7. World Nuclear News: India recommissions Apsara research reactor (12 September 2018)
  8. The Tribune: K. S. Parthasarathy, Fifty years of atomic energy (30 October 2003)
  9. Tata Institute of Fundamental Research Archives via Google Arts and Culture: Life and work of the great visionary, Homi J. Bhabha
  10. Tanay Mazumdar and Tej Singh (BARC), Production of radioisotopes in Indian research reactors (2022), INIS record
  11. S. M. Sundaram (BARC), Utilization of research reactors at Trombay (IAEA-TECDOC-409, 1987), INIS record
  12. An Overview of Ageing Management and Refurbishment of Research Reactors at Trombay (BARC conference paper), ETDEWEB record
  13. S. Banerjee, P. Pandey and T. Singh (BARC), Apsara-U: operational reactor physics (BARC report 2023/E/006), INIS record
  14. Bhabha Atomic Research Centre: Founder's Day Address 2025 by Director BARC
  15. Bhabha Atomic Research Centre: About us

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