Historia energetyki jądrowej. Gdzie powstał pierwszy reaktor i kto miał pierwszą elektrownię?

Chemiczna kolebka elektrowni jądrowych

Powstanie energetyki jądrowej zapoczątkowało odkrycie wyjątkowych właściwości uranu przez niemieckich chemików Otto Hahna oraz Fritza Straßmanna w 1938 roku. W wyniku bombardowania uranu wolnymi neutronami odkryli, że jego jądro atomowe ulega rozszczepieniu, co powoduje uwolnienie ogromnej ilości energii (3 miliony razy więcej, niż ze spalania węgla). Badając wyniki eksperymentu byli jeszcze bardziej zaskoczeni, ponieważ jako produkt reakcji otrzymali m.in. bar, którego masa atomowa jest prawie dwukrotnie mniejsza od uranu!

Po długich rozważaniach i korespondencjach z zaprzyjaźnionymi fizykami Lise Meitner oraz Otto Robert Frischem stworzyli hipotezę o nuklearnej reakcji łańcuchowej. Wydedukowali, że owa reakcja musi być spowodowana emisją dodatkowych neutronów pochodzących z rozszczepionego jądra atomowego, co zostało później potwierdzone. Innymi słowy bombardowanie jądra atomowego neutronami powoduje następne reakcje rozszczepienia mniejszych części pierwotnego jądra. To zjawisko jest przyczyną tzw. „transmutacji nuklidów”, dzięki której przykładowo nierozszczepialny uran-238 może zostać przekształcony w rozszczepialny pluton-239, używany jako paliwo do reaktorów jądrowych i produkcji broni jądrowej. 

Chicago Pile 1 – pierwszy reaktor jądrowy

Budowa oraz testowanie CP-1 (skrót od Chicago Pile I) odbywało się pod boiskiem futbolowym na terenie University of Chicago w 1942 roku. Przedsięwzięcie było prowadzone pod kierownictwem włoskiego naukowca Enrico Fermiego, który już wcześniej zajmował się badaniami nad uranem i rozszczepieniem jądra atomowego. Sam reaktor składał się z wielu warstw bloków uranu naturalnego (6 ton), wraz z tlenkami uranu (34 tony). Dodatkowo w reaktorze było umieszczone ponad 400 ton bloków grafitowych, w celu spowolnienia neutronów bombardujących atomy uranu, a całość reaktora była zabezpieczona drewnianym stelażem. 

Głównym fenomenem tego eksperymentu była możliwość kontrolowania reakcji rozszczepienia jądra atomowego, poprzez drewniane pręty pokryte kadmem, który spowalnia tę reakcję i przyciąga neutrony. Kontrola wspomnianych prętów polegała na wyciągnięciu ich z reaktora, jeśli reakcja ma przebiegać szybciej, natomiast wkładania ich z powrotem do reaktora, jeśli wolniej. Sterowanie prętami odbywało się z konsoli sterowniczej, lecz ostatni kontrolny pręt był sterowany fizycznie przez George'a Weila! 

Ten eksperyment pokazuje rzeczywistość warunków w jakich odbywało się większość przełomowych eksperymentów w ubiegłych wiekach. Praca w starej piwnicy, niska doza bezpieczeństwa, ciężka praca naukowców z 12-godzinnymi zmianami… Jednakże dzięki geniuszowi Enrico Fermi i jego wiarygodnym obliczeniom, dostał zgodę na przeprowadzenie eksperymentu. Stopniowo odejmowano coraz więcej prętów kontrolnych, z nadzieją na otrzymanie samopodtrzymującej się łańcuchowej reakcji jądrowej. Eksperyment zakończył się powodzeniem i spowodował rozpoczęcie ery budowy pierwszych elektrowni jądrowych…

Elektrownia jądrowa Obninsk – pierwsza przemysłowa elektrownia jądrowa 

Podczas zimnej wojny Związek radziecki oraz USA prowadzili nuklearny wyścig, a celem była dominacja pod względem technologii jądrowych oraz broni nuklearnej. Właśnie wtedy ZSRR zwiększył produkcję plutonu oraz uranu, a także reaktorów jądrowych. Konstrukcja reaktora jądrowego do elektrowni w Obninsku wzorowała się na zaprojektowanych i dostępnych na rynku przemysłowych reaktorach jądrowych, lecz różniła się pod jednym ważnym aspektem. Jako paliwo nie były używane pręty uranowe, które były chłodzone wodą zewnętrznie. 

Zamiast nich użyto rur dwuściennych. Pomiędzy ściankami rury znajdował się uran, natomiast we wnętrzu rury płynęła woda, odbierająca ciepło. Obliczenia wykazały, że znacznie łatwiej ogrzać taką rurę, niż wcześniej wspomniane pręty. Rdzeń reaktora był złożony z grafitowych bloków z otworami, w których znajdowały się rury z uranem. W wyniku rozszczepienia jądra atomowego uranu energia w postaci ciepła była emitowana i ogrzewała wodę, zamieniając ją w parę wodną. Następnie para wodna napędzała turbinę, której moc wyjściowa wynosi 5000 kW. Taką ilością energii można aktualnie zasilić 2000 gospodarstw domowych, lecz w czasach rozkwitu elektrowni w Obninsku zapotrzebowanie energetyczne było mniejsze, przez co wtedy było to fenomenalne osiągnięcie. 

W 1954 r. reaktor elektrowni w Obninsku został uruchomiony i elektrownia została podłączona do sieci elektrycznej, co czyni ją pierwszą na świecie elektrownią jądrową! Dodatkowo oprócz produkcji energii elektrycznej były w niej przeprowadzane eksperymenty naukowe oraz produkcja i badania nad izotopami. Ze względu na duże koszty utrzymania elektrowni i małe zyski została zamknięta w 2002 roku.

Calder Hall – pierwsza pełnoskalowa komercyjna elektrownia jądrowa

Początkowym celem budowy elektrowni była produkcja plutonu potrzebnego do tworzenia broni nuklearnej, a produkcja energii elektrycznej była jedynie celem pobocznym. Wojna została zakończona, zatem zapotrzebowanie na broń nuklearną się skończyło i ekonomia Wielkiej Brytanii zmieniła tory w kierunku komercyjnej produkcji energii elektrycznej. Za poleceniem Winstona Churchilla budowę elektrowni Calder Hall rozpoczęto w 1953 roku w Sellafield w Wielkiej Brytanii. 

Serce elektrowni stanowiły 2 reaktory Magnox (od „magnesium no oxidation”). Naturalny uran w postaci prętów był zamknięty w walcowych zbiornikach ze stopu magnezu, który absorbował mniej neutronów i był bardziej odporny na korozję, niż poprzednie aluminiowe zbiorniki. Pręty paliwowe były wkładane do otworów w blokach grafitowych, które spowalniały neutrony, czyniąc reakcję rozszczepienia jądra bardziej skuteczną. W tym typie reaktorów wykorzystano dwutlenek węgla pod wysokim ciśnieniem jako czynnik chłodzący, co pozwoliło odbierać ciepło w wysokich temperaturach i ciśnieniach, czego nie dało się osiągnąć z użyciem wody. Rozgrzany gaz przechodził przez reaktor, odbierając ciepło, a następnie oddawał ciepło wodzie w wymiennikach ciepła, a woda po zamianie w parę napędzała turbiny produkujące energię.

Pręty kontrolne były wykonane z boru i zamocowane na elektromagnesach, w celu szybkiego wypuszczenia ich w sytuacji krytycznej. Cały rdzeń był zamknięty w betonowej osłonie, w celu chronienia środowiska przed szkodliwym promieniowaniem.

Elektrownia została uruchomiona po raz pierwszy w 1956 roku. Posiadała dwie 88 metrowe wieże chłodnicze, dwa reaktory Magnox, 4 wymienniki ciepła oraz 8 turbin. W kolejnych latach dodano kolejne 2 wieże chłodnicze i 2 reaktory. W swojej ostatecznej wersji elektrownia miała moc wyjściową równą 196 MW sumując moc ze wszystkich reaktorów. Początkowo czas użytkowania elektrowni był zaplanowany na 20 lat. Natomiast po przejściu wielu kontroli była używana przez 47 lat! Aktualnie jest w trakcie likwidacji od 2005 roku.

Historia polskiej energetyki jądrowej

Plany na użytkowanie technologii jądrowej w Polsce sięgają 1955 roku. Właśnie wtedy polski rząd utworzył Instytut Badań Jądrowych w Świerku koło Otwocka oraz 3 lata później w tym samym miejscu uruchomiono doświadczalny reaktor jądrowy EWA. W 1971 roku Rada Ministrów podjęła decyzję o budowie elektrowni jądrowej, lecz dopiero po roku wybrano lokalizację budowy elektrowni „Żarnowiec”, która miała znajdować się w wsi Kartoszyno. 10 lat później w 1982 roku rozpoczęła się budowa elektrowni. Łączna moc wyjściowa elektrowni pochodząca z 4 bloków energetycznych z radzieckimi reaktorami WWER miała wynosić 1600 MW. 

Niestety w wyniku ekonomicznych problemów z rentownością projektu, zmian w rządzie, niejednoznaczność kwestii bezpieczeństwa oraz negatywnej opinii społecznej, budowa elektrowni „Żarnowiec” została wstrzymana w 1989 roku. Straty finansowe związane z likwidacją elektrowni są szacowane w przedziale 500-700 mln USD, natomiast straty pod względem korzyści dla społeczeństwa to około 50 mld złotych. Podobny los spotkał drugą planowaną w 1987 roku elektrownię jądrową „Warta”, której budowa została zaniechana pod decyzją Rady Ministrów w 1989 roku ze względu na protesty społeczne.

Źródła: ice.org.uk, ebsco.com, osti.gov, anl.gov, nuclear.pl, world-nuclear.org, piekniejszastronanauki.pl, wikipedia.org

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Odnawialnych Źródeł Energii “Grzała”
Tobiasz Kobza