40 lat minęło, na drugie tyle przygotowuje się MARIA

W środę, 17 grudnia br., MARIA obchodzi 40-te urodziny. To młody wiek jak na reaktor jądrowy. Ten jedyny w Polsce znajduje się na terenie Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku pod Warszawą. Choć nie produkuje energii elektrycznej to napromienia izotopy niezbędne do ratowania ludzkiego życia, wytwarza nowe materiały dla przemysłu, prowadzi badania fizyczne jak również szkoli kadry na potrzeby branży jądrowej i ochrony radiologicznej.

Czterdzieści lat temu, 17 grudnia 1974 roku, największy w historii i obecnie jedyny polski badawczy reaktor jądrowy MARIA (dziś o mocy 30 MW) osiągnął stan krytyczny. Ten dzień uważa się za moment rozpoczęcia jego pracy, ponieważ wtedy to naukowcy stworzyli odpowiednie warunki dla samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej. Choć pierwotnie reaktor MARIA miał służyć do badań na potrzeby rozpoczętej budowy elektrowni jądrowej Żarnowiec to szybko znalazł szersze zastosowanie. 

„Nasz reaktor jest doskonałym przykładem na to, że energetyka jądrowa jest impulsem nie tylko dla rozwoju tej gałęzi przemysłu ale wpływa na rozkwit całej gospodarki w różnych jej obszarach” – podkreśla prof. dr hab. Grzegorz Wrochna, dyrektor NCBJ – „przykładowo dzięki naświetlaniu tarcz uranowych staliśmy się jednym z największych w skali światowej producentem radioizotopów dla medycyny. Tylko jeden tydzień pracy reaktora MARIA oznacza pomoc dla stu tysięcy pacjentów”.

Dziś reaktor MARIA służy przede wszystkim jako źródło wysokiego strumienia neutronów. Właściwości tych  silnie związanych w jądrach atomowych cząstek są niezwykle cenne dla fizyków. Obojętne elektrycznie ulegają wszystkim czterem znanym oddziaływaniom (silnym, elektromagnetycznym, słabym i grawitacji) a ponadto nie muszą pokonywać tzw. bariery kolumbowskiej przy oddziaływaniu z materią. Do uzyskania wysokich strumieni neutronów potrzebne są reaktory jądrowe wykorzystujące reakcję rozszczepienia. Dziś neutrony produkowane w reaktorze MARIA służą m.in. do napromieniania materiałów tarczowych wykorzystywanych do produkcji izotopów promieniotwórczych i źródeł promieniowania stosowanych w przemyśle, ochronie środowiska i zdrowia. Przykładem znaczenia pracy reaktora dla medycyny jądrowej jest napromienianie tarcz uranowych, z których uzyskuje się molibden 99, a w wyniku jego rozpadu - technet 99m. To podstawowy składnik wszystkich procedur w terapii onkologicznej (ponad 80% udziału), a w ubiegłym roku NCBJ osiągnął 18% jego światowych dostaw. Reaktor wytwarza też całą gamę innych radioizotopów, które stanowią bazę preparatów eksportowanych pod marką POLATOM do 76 krajów na całym świecie.

Reaktor „Maria” wykorzystywany jest również do: badań materiałowych w urządzeniach sondowo-pętlowych, neutronowego domieszkowania materiałów półprzewodnikowych i modyfikacji materiałowych, badań fizycznych możliwych do celów medycznych opierających się na wykorzystaniu wiązek neutronów (terapia BNCT) oraz zaawansowanych szkoleń dla kadr na potrzeby energetyki, bezpieczeństwa jądrowego i ochrony radiologicznej.

„Nasza solenizantka nie jest więc reaktorem energetycznym służącym do produkcji energii elektrycznej” – podsumowuje mgr inż. Grzegorz Krzysztoszek, Dyrektor Departamentu Energetyki Jądrowej NCBJ – „jej unikatowe właściwości stawiają nas w czołówce badawczych reaktorów jądrowych nie tylko w Europie ale i na całym świecie. Działa to jak magnes dla naukowców, z którymi prowadzimy m.in. prace niezbędne dla rozwoju energetyki przyszłości – reaktorów IV generacji i instalacji termojądrowych”.

Dzięki współpracy z rządem USA reaktor „Maria” ma zapewnione dostawy paliwa do 2017 roku, co pozwoli na jego eksploatacje do końca 2020 roku. Naukowcy szacują, że po przeprowadzeniu niezbędnych prac modernizacyjnych polski reaktor będzie pracował do 2060 roku.

Punktem kulminacyjnym obchodów 40-tych urodzin reaktora „Maria” będzie zorganizowana 17 grudnia w NCBJ debata ekspercka. W trakcie jej trwania o roli i przyszłości reaktorów badawczych na świecie rozmawiać będą m.in.: Borio-Di-Tigliole z Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej, Roy Brown z Mallinckrodt Medical BV, Kevin Charlton z OECD NEA, Remigiusz Barańczyk z Komisji Europejskiej, Stamatios Tsalas z Komisji Europejskiej, Bruno Schmitz Dyrektor Programu Euratom Fission, Gilles Bignan z CEA oraz Grzegorz Wrochna z NCBJ. Doskonałą ilustracją sześćdziesięcioletnich polskich doświadczeń z reaktorami jądrowymi będzie również uroczyste otwarcie wystawy „Od Ewy do Marii”. Obchody swoim patronatem objął Minister Gospodarki.

Budowa reaktora „Maria”

Jedyny czynny obecnie polski reaktor jądrowy „Maria”, znajdujący się na terenie NCBJ w Świerku pod Warszawą, został zaprojekowany i skonstruowany przez krajowych specjalistów i techników. Jego budowę rozpoczęto w 1970 roku a stan krytyczny osiągnięto po raz pierwszy 17 grudnia 1974 roku. Zadaniem reaktora „Maria” miało być uzupełnienie możliwości badawczych reaktora „Ewa” (Energetyczny, Wodny, Atomowy) – pierwszego reaktora jądrowego w Polsce (wyłączonego z eksploatacji w 1995 roku).

Reaktor „Maria” ma dość nietypową konstrukcję kanałowo-basenową. Kanały paliwowe wraz z pozostałymi elementami rdzenia reaktora (bloki moderatora berylowego i reflektora grafitowego, pręty pochłaniające, zasobniki z materiałami tarczowymi) znajdują się w tzw. koszu rdzenia w basenie reaktora pod 7-metrową warstwą wody. Połączony jest on śluzą z sąsiednim basenem przechowawczym, który pełni rolę krótkookresowego przechowalnika wypalonego paliwa i napromienionych elementów konstrukcyjnych oraz eksperymentalnych reaktora. Co więcej, konstrukcja rdzenia jest modułowa, dzięki czemu szybko, łatwo i bezpiecznie można go dostosować do zmian w programie badawczo – produkcyjnym. Sześć kanałów poziomych wyprowadzonych z rdzenia daje naukowcom możliwości prowadzenia badań bezpośrednio na wiązkach neutronów. Paliwo w reaktorze „Maria” umieszczone jest w specjalnych rurowych kanałach. W każdym elemencie paliwowym znajduje się 485 gramów uranu niskowzbogaconego. Pomijając gruntowną modernizację reaktora w 1985 roku największe zmiany w jego  konstrukcji dotyczyły właśnie paliwa. Pierwotnie używano paliwo o 80% wzbogaceniu w izotop uranu 235. W 2000 roku wprowadzono paliwo o wzbogaceniu 36% a we wrześniu  2012 – 19,7%.

Reaktor „Maria” wyposażony jest w szereg układów zapewniających jego bezpieczną eksploatację. Do najważniejszych elementów należą: obiegi chłodzenia, wentylacja, blokady zabezpieczeń (rozruchu i podnoszenia mocy reaktora), awaryjne zalewanie rdzenia, wielostopniowe systemy zapewniające ciągłość zasilania w warunkach normalnych i awaryjnych, instalacje ścieków w obiekcie reaktora jak i specjalna gospodarka odpadami promieniotwórczymi, a także rozbudowany system dozymetryczny obejmujący ciągły monitoring pól promieniowania i zagrożeń radiologicznych. Według aktualnych ocen technicznych reaktor „Maria” może być eksploatowany do 2020 roku, a po modernizacji do 2060 roku.

60 lat polskich doświadczeń w budowie reaktorów jądrowych

Polska ma 60-cio letnie doświadczenie w budowie i eksploatacji reaktorów jądrowych. Wszystkie tego typu urządzenia powstały w instytutach w Świerku (dziś NCBJ). Pierwszym był reaktor jądrowy „Ewa” uruchomiony 14 czerwca 1958 roku. Naukowcy wykorzystywali go do produkcji izotopów promieniotwórczych oraz badań prowadzonych na wiązkach neutronów z kanałów poziomych. To dzięki reaktorowi „Ewa” ośrodek w Świerku stał się znaczącym w świecie centrum rozwoju badań i technik jądrowych.

Przed uruchomieniem reaktora „Maria” 17 grudnia 1974 roku w instytutach w Świerku zbudowano i uruchomiono szereg zestawów krytycznych i tzw. reaktorów mocy zerowej:

• „Maryla” (dwie wersje), „Anna”,
• „Prędka Anna” (pierwszy i jedyny polski reaktor prędki),
• „UR-100” oraz „Agata”.

Wszystkie te reaktory są obecnie nieczynne, a zwieńczeniem ich prac był projekt, budowa i uruchomienie  wysokostrumieniowego reaktora „Maria”.

Skąd się wzięły reaktory?

Reaktory jądrowe do reakcji rozszczepienia wykorzystują uran (przede wszystkim izotop uran 235). Wiek wydobywanego jako paliwo kopalne uranu szacuje się na około 6,6 mld lat (2 mld lat wcześniej niż Układ Słoneczny). Dzięki dużej koncentracji energii z 1 grama uranu uzyskuje się tyle samo energii co ze spalenia 1,5 tony węgla. Najwięcej dziś eksploatowanych złóż uranu znajduje się w Kazachstanie, Kanadzie i Australii.

Pierwszy reaktor jądrowy stworzyła natura. Odkrywkowe wydobycie uranu ze złóż Oklo w Gabonie wyjawiło ponad tuzin obszarów, w których niegdyś miały miejsce reakcje rozszczepienia. 1,74 miliarda lat temu w części złoża uranu w Afryce samorzutnie wystąpiła reakcja jądrowa powstał układ, który pracował w sposób cykliczny odpowiadający fizyce pracy dzisiejszych reaktorów. Przez długi okres czas, szacowany nawet na milion lat, trwała tam reakcja jądrowa. Na podstawie prowadzonych badań stwierdzono, że jego moc wynosiła 100 kW.

Ludzie pierwszy reaktor wybudowali jednak dopiero w 1942 roku. W Chicago (USA) w ramach projektu Manhattan, Enrico Fermi wybudował reaktor o mocy 200W. Do dziś na całym świecie uruchomiono co najmniej tysiąc reaktorów różnego typu na wszystkich kontynentach.