一、BNL石墨研究反應(yīng)堆（BGRR）

BNL石墨研究反應(yīng)堆BGRR是BNL的第一臺(tái)大反應(yīng)堆，也是二次大戰(zhàn)后在和平時(shí)期美國(guó)建造的第一臺(tái)反應(yīng)堆，其主要任務(wù)是為科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供中子，改進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)。

BNL石墨研究反應(yīng)堆BGRR外景

像BGRR這樣的研究反應(yīng)堆，中子被燃料元素中的鈾原子核捕獲，引起一些核發(fā)生裂變。裂變過(guò)程中，產(chǎn)生兩個(gè)大的碎片和2到3個(gè)中子，這些中子啟動(dòng)新的裂變事例。如果一次裂變產(chǎn)生的中子中平均有一個(gè)中子產(chǎn)生另一個(gè)中子，那就是發(fā)生了連鎖反應(yīng)。那些沒(méi)有再引起裂變反應(yīng)和沒(méi)被反應(yīng)堆本身吸收的中子可用來(lái)開展實(shí)驗(yàn)。建造的BGRR像個(gè)立方體，三面和頂部可插入接受這些中子輻照的實(shí)驗(yàn)。

BGRR原來(lái)用天然鈾作為燃料，1958年起采用了一種新的燃料濃縮鈾235。當(dāng)時(shí)反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)為20兆瓦，中子的最大流量約為2 x10¹³/厘米²/秒。

開始時(shí)，BGRR可比任何現(xiàn)有的反應(yīng)堆容納更多的同時(shí)開展的實(shí)驗(yàn)。來(lái)自世界各地的科學(xué)家和工程師到BNL使用該反應(yīng)堆。BGRR不僅提供實(shí)驗(yàn)用的中子源，同時(shí)還是一臺(tái)極妙的培訓(xùn)工具。研究人員把BGRR的中子作為研究原子核和固體結(jié)構(gòu)的工具，并用來(lái)研究許多物理、化學(xué)和生物系統(tǒng)，還用它研究物質(zhì)輻照效應(yīng)。在BGRR使用壽命期間，對(duì)從種子到藝術(shù)珍品的樣品進(jìn)行過(guò)25，000次的輻照。其中一次，對(duì)反應(yīng)堆中的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)進(jìn)行了輻照研究，以確定其磨損程度和其它特性。這一工作導(dǎo)致開發(fā)出許多等級(jí)的馬達(dá)油，如汽車中通常使用的10W-30。

BNL石墨研究反應(yīng)堆BGRR

BGRR反應(yīng)堆由一個(gè)重700噸25英尺的石墨立方體構(gòu)成，由鈾提供燃料。共有1，369個(gè)燃料通道，在任何給定的時(shí)間里，通道約使用一半。反應(yīng)堆的功率通過(guò)插入和取出硼鋼控制棒來(lái)加以控制，由通過(guò)堆芯提供氣流的5個(gè)風(fēng)扇中的一個(gè)或幾個(gè)進(jìn)行冷卻。

中子還可作為探測(cè)器用來(lái)研究其他物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和行為。“回路”實(shí)驗(yàn)是另外一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，旨在測(cè)量液體和氣體通過(guò)反應(yīng)堆時(shí)他們特性的輻照感應(yīng)變化。BGRR所生產(chǎn)的放射性同位素在醫(yī)學(xué)診斷、治療和工業(yè)技術(shù)上特別有用。重要的醫(yī)療診斷工具放射性同位素锝-99m就是在BGRR上開發(fā)出來(lái)的。

到了1955年，BGRR和其它地方的研究用反應(yīng)堆的中子通量已明顯不足以支持所提出的實(shí)驗(yàn)。1958年BNL設(shè)計(jì)了一種新型的反應(yīng)堆，即高通量束流反應(yīng)堆，獲得原子能委員會(huì)的批準(zhǔn)。

BGRR提供的服務(wù)時(shí)間共18年，然后永久停機(jī)，于20世紀(jì)末徹底退役。

二、高通量束流反應(yīng)堆（HFBR）

BNL開創(chuàng)了利用亞原子粒子作為工具開展物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究。根據(jù)BGRR的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了HFBR，以產(chǎn)生大量的中子。在HFBR中，中子的通量不是像多數(shù)反應(yīng)堆在堆芯內(nèi)達(dá)到最高值，而是在其反應(yīng)堆堆芯外面達(dá)到最大值，隨時(shí)可供開展實(shí)驗(yàn)。中子束流通過(guò)堆芯切線處出來(lái)的束流引出口送給實(shí)驗(yàn)人員，而不是像以前反應(yīng)堆中那種典型的向外輻射。這一改進(jìn)產(chǎn)生了更多的慢運(yùn)動(dòng)中子，這是多數(shù)研究所需要的?，F(xiàn)在建造的多數(shù)反應(yīng)堆都包括了第一次在HFBR中出現(xiàn)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新。

HFBR于1965年10月31日首次實(shí)現(xiàn)了自我持續(xù)連鎖反應(yīng)。30多年來(lái)，HFBR為世界上的首要束流反應(yīng)堆之一，只有在法國(guó)Grenoble的Laue-Langevin反應(yīng)堆可與其相比。 

BNL高通量束流反應(yīng)堆HFBR

在1965年到1996年這段時(shí)間內(nèi)，HFBR在各種功率條件下運(yùn)行，晚期低到30兆瓦，早期高到60兆瓦。有16年按原設(shè)計(jì)的功率40兆瓦運(yùn)行，提供的中子通量為1.6x10¹⁵/厘米²/秒，比BGRR高50個(gè)數(shù)量級(jí)。經(jīng)過(guò)6年的準(zhǔn)備，該反應(yīng)堆的功率在1982年提高到60兆瓦。在更高功率時(shí)，中子的流量又提高50%。

較高的中子通量將作實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間減少三分之一，這樣便使更多用戶使用這一反應(yīng)堆，還可給從事某種創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)提供更好的成功機(jī)會(huì)。通過(guò)正常的改進(jìn)升級(jí)，該反應(yīng)堆作為可依賴的中子源在使用上創(chuàng)造了令人羨慕的記錄。

1997年例行環(huán)境監(jiān)測(cè)中，在反應(yīng)堆南部地下水里發(fā)現(xiàn)了放射性型的氫，即氘，從而對(duì)其命運(yùn)提出質(zhì)疑。氘從反應(yīng)堆用過(guò)的燃料池中泄露出來(lái)，數(shù)年來(lái)該燃料池一直都未進(jìn)行過(guò)檢測(cè)。經(jīng)過(guò)大量取樣，認(rèn)定污染只局限于BNL的范圍，對(duì)BNL的雇員或公眾未構(gòu)成威脅。為確保受影響的地下水只停留在BNL場(chǎng)地，安裝了一個(gè)補(bǔ)救系統(tǒng)。1999年，能源部宣布HFBR永久退役。

三、BNL醫(yī)學(xué)研究反應(yīng)堆（BMRR）

從BNL的早期開始，BNL醫(yī)學(xué)系就總有獨(dú)一無(wú)二的裝置。為滿足科學(xué)家利用中子開展醫(yī)學(xué)研究的需要，建造了BNL醫(yī)學(xué)研究反應(yīng)堆。該反應(yīng)堆系美國(guó)首次專為醫(yī)學(xué)研究建造的，1959年3月15日開始運(yùn)行，直到2000年12月。它產(chǎn)生的最大中子通量為2×10¹²/厘米²/秒。  

BNL醫(yī)學(xué)研究反應(yīng)堆BMRR

BMRR為改造過(guò)的5兆瓦桶型反應(yīng)堆，其彎曲板燃料成分由含12%（按重量）濃縮鈾的鈾鋁合金組成，堆芯在一個(gè)鋁容器里，周圍是由空氣冷卻的石墨反射層和生物屏蔽層。堆芯靠高純凈水冷卻和調(diào)節(jié)，其流量為1，270加侖/分，水壓為3-4磅/英寸²。水向上流，主要是讓（由中子和水中的氫發(fā)生相互作用產(chǎn)生的）短壽命同位素在反應(yīng)堆容器鼓出的被屏蔽的上部衰變。這一系統(tǒng)無(wú)須在冷卻管道的外部加上很厚的屏蔽層。堆芯中的核反應(yīng)由放入安裝在燃料元素之間的套桶中的4根含有硼的不銹鋼棒控制。

反應(yīng)堆4個(gè)面中有一個(gè)面有輻照大物體的設(shè)備，穿過(guò)另一個(gè)面的孔可對(duì)樣品進(jìn)行輻照，進(jìn)行活化分析和短壽命同位素制備。中子束流從其他兩個(gè)出口進(jìn)到處理室，以進(jìn)行嚴(yán)格控制的動(dòng)物和臨床研究。

最早在BMRR反應(yīng)堆上進(jìn)行的治療之一為硼中子俘獲治療（BNCT）。該治療法很有前途，用于治療一種原來(lái)不可治療的和可怕的多形性惡性膠質(zhì)瘤（glioblastoma multiforme）。

（高能所科研處 侯儒成編譯）