EWA i MARIA świadectwem kompetencji polskich naukowców

24 lutego 1995 roku, a więc 20 lat temu, wyłączono z eksploatacji pierwszy w Polsce reaktor jądrowy EWA. To tu polscy naukowcy doskonalili swoje umiejętności dzięki czemu dziś dysponują wysokimi kompetencjami z zakresu projektowania, budowy, oceny i bezpiecznej eksploatacji elektrowni jądrowych. Efektem ich pracy jest m.in. znajdujący się w Narodowym Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) badawczy reaktor jądrowy MARIA, jedyny pracujący w Polsce i jeden z najlepszych tego typu obiektów w Europie.

Budowa reaktora jądrowego EWA (Eksperymentalny, Wodny, Atomowy) była możliwa dzięki ustaleniom Pierwszej Konferencji Genewskiej (1955 rok) poświęconej pokojowemu zastosowaniu energii jądrowej. Wtedy to ZSRR zaoferował krajom sąsiednim sprzedaż swoich badawczych reaktorów. Taka umowa została podpisana z Polską, Bułgarią, Czechosłowacją, NRD, Rumunią i Węgrami. Na jej podstawie rozpoczęto prace nad budową pierwszego w historii reaktora jądrowego w Polsce.

W 1956 roku w Świerku rozpoczęto budowę reaktora EWA. Radziecka konstrukcja zakładała uzyskanie mocy cieplnej 2 MW i gęstości strumienia neutronów termicznych 2*10¹³ neutronów/s*cm². Rdzeń reaktora umieszczony był w aluminiowym zbiorniku, wypełniony lekką wodą chłodzącą. Przy pełnym załadunku umieszczano tam blisko 800 prętów paliwowych, każdy o wzbogaceniu 10% U-235. W rdzeniu znajdowało się także 9 prętów regulacyjnych i awaryjnych, a w jego otoczeniu znajdowało się 8 pionowych kanałów wykorzystywanych do produkcji izotopów promieniotwórczych. W osłonie reaktora umieszczono 10 poziomych kanałów służących do przeprowadzania badań fizycznych.

W 1964 roku polscy inżynierowie przebudowali reaktor EWA. Zastosowanie nowego paliwa o wzbogaceniu 36% w U-235 oraz dodanie reflektora berylowego zaowocowało dwukrotnym podniesieniem mocy. Następnie przeprowadzono szereg doświadczeń, mających określić najlepsze warunki odbioru ciepła, dzięki którym moc reaktora w roku 1967 podniesiono aż do 8 MW. W kolejnych badaniach użyto specjalnie oprzyrządowanych zestawów paliwowych do pomiaru temperatur i przepływu chłodziwa w warunkach maksymalnych dopuszczalnych mocy i w sytuacjach awaryjnych. W eksperymentach z nagłym wyłączeniem jednej, dwóch lub wszystkich trzech pomp w obiegu chłodzenia, które były pierwszymi w skali światowej udowodniono, że reaktor EWA może bezpiecznie pracować na mocy sześciokrotnie większej niż pierwotnie zakładano i uzyskać czterokrotnie wyższy strumień neutronów. Ostatecznie jego moc ustalono jednak na poziomie 10 MW z zapasem 2 MW jako margines bezpieczeństwa. Reaktor EWA pracował nieprzerwanie po 3500 godzin rocznie do 24 litego 1995 roku. Wtedy to, ze względu na zużycie poszczególnych elementów i materiałów podjęto decyzję o jego wyłączeniu. Proces likwidacji rozpoczęto w 1997 roku. Do 2002 roku usunięto paliwo jądrowe i substancje wysokoaktywne oraz zdemontowano konstrukcję. Dziś hala reaktora EWA znajduje się na terenie Zakładu Unieszkodliwiania Odpadów Promieniotwórczych sąsiadującym z NCBJ.

„Reaktor EWA wprowadził Polskę w erę energetyki jądrowej” – podkreśla prof. dr hab. Grzegorz Wrochna, dyrektor NCBJ – „dzięki prowadzonym doświadczeniom staliśmy się szybko równorzędnym partnerem na arenie międzynarodowej. Uzyskane kompetencje zaowocowały nie tylko wybudowaniem czterech zestawów krytycznych, w tym na neutrony prędkie, ale przede wszystkim umożliwiły wybudowanie pierwszego polskiego reaktora MARIA. Dziś jest to jedyne tego typu urządzenie w kraju i jedno z najmłodszych i najlepszych w całej Europie, To tu naświetlamy m.in. tarcze uranowe, z których pozyskuje się molibden-99, materiał niezbędny do produkcji leków onkologicznych. Tylko jeden tydzień pracy naszego reaktora oznacza ratunek dla 100 000 pacjentów szpitali”.

Prace nad zaprojektowaniem całkowicie polskiego reaktora badawczego o mocy znacznie większej od EWY trwały w Instytucie Badań Jądrowych (dzisiejsze NCBJ) już od 1960 roku. Obejmowały one pełen kompleks zagadnień – od fizyki rdzenia i obliczania optymalnych parametrów wiązek neutronowych wyprowadzanych z reaktora dla doświadczeń fizycznych, poprzez ocenę mikroskopowych rozkładów strumieni neutronów rdzeniu i uwzględnienie wpływu napromieniowywanych materiałów, poprzez obliczenia hydrodynamiczne, wymiany ciepła i obliczenia osłon. Koncepcja rdzenia i reflektora zmieniała się w toku projektowania. Ostatecznie podjęto decyzję o budowie reaktora z paliwem zamkniętym w kanałach paliwowych z osobnym obiegiem chłodzenia, co dawało możliwość podniesienia obciążeń cieplnych i strumieni neutronów. Dodatkową korzyścią z punktu widzenia bezpieczeństwa było to, że ściany kanałów paliwowych tworzyły barierę powstrzymującą uwolnienia produktów rozszczepienia poza reaktor. By uprościć konstrukcję i uniknąć problemów związanych z gospodarką ciężką wodą zrezygnowano z reflektora ciężkowodnego. Zamiast tego, wybudowano kanały poziome do wyprowadzenia wiązek neutronów poprzez reflektor berylowy. Dzięki temu reaktor MARIA może poszczycić się dużą mocą 30 MW oraz wysokim strumieniem neutronów termicznych 4*10¹⁴ neutronów/s*cm² i neutronów prędkich 2*10¹⁴ neutronów/s*cm² w rdzeniu. Polscy naukowcy są również autorami doświadczeń m.in. z paliwem jądrowym, układów sterowania i zabezpieczeń reaktora (m.in. układ wykrywania nieszczelności elementów paliwowych).

„Reaktor MARIA jest w pełni dziełem polskich inżynierów i techników. Wszystkie elementy reaktora, poza paliwem, berylem i grafitem są wytworzone w kraju. Także program prac rozruchowych, doświadczenia krytycznego i dojścia do pełnej mocy był opracowywany i przeprowadzony przez naszych ekspertów” – dodaje prof. Grzegorz Wrochna – „Doświadczenie zebrane w poprzednich latach przy eksploatacji reaktora EWA, przy wszechstronnych badaniach fizycznych i cieplno-przepływowych, które pozwoliły na podniesienie mocy 2 do 10 MW, okazało się wystarczające dla wzorowego przeprowadzenia projektowania, budowy i rozruchu reaktora MARIA. Warto o tym pamiętać szczególnie dzisiaj, gdy rozważamy sposób budowy, rozruchu i eksploatowania przyszłych polskich elektrowni jądrowych. Wszystkie niezbędne kompetencje są wciąż dostępne w polskich instytutach badawczych”.