Historia energetyki jądrowej

Jądro atomu jest rozszczepialne!

Od czasu odkrycia neutronu w 1932 r. węgierski uczony Leo Szilard prowadził w Niemczech badania na berylu, które pozwoliły mu sądzić że reakcja łańcuchowa inicjowana przez bombardowanie jądra atomowego neutronami może posłużyć do zbudowania bomby jądrowej. Jako, że beryl był pierwiastkiem zbyt lekkim, by te doświadczenia się udały, a sam Szilard nie miał pieniędzy na kontynuację badań i z powodu prześladowań musiał uciekać z Niemiec, prowadzone badania spełzły na niczym.

W 1934 r. włoski fizyk Enrico Fermi prowadząc badania nad uranem odkrył, że pierwiastek ten bombardowany neutronami staje się silnie promieniotwórczy. Fermi mylnie sądził, że w procesie tym powstaje nowy pierwiastek, o liczbie atomowej 93 (większej o 1 od liczby atomowej uranu). I choć już wtedy pojawiły się głosy, iż zjawisko zauważone przez Fermiego może mieć związek z rozszczepianiem jądra atomu, sam badacz jak i większość uczonych odrzuciła taką możliwość. Dopiero w roku 1938 niemieccy badacze Otto Hahn i Fritz Strassmann powtarzając doświadczenie Fermiego ze zdziwieniem zauważyli wśród produktów reakcji bar (liczba atomowa 56), co było odkryciem niezwykłym, gdyż w dotychczasowych doświadczeniach z reakcjami jądrowymi otrzymywano pierwiastki o masie niewiele mniejszej lub większej od pierwiastka wyjściowego. Współpracownicy Hahna : Lisa Meitner i Otto Frisch zinterpretowali ten fakt jako rozszczepienie jądra atomu, a także zwrócili uwagę na energię wyzwalającą się podczas rozszczepiania. Rewolucyjne odkrycie Hahna zaczęto powielać w innych laboratoriach na świecie i tak rozpoczęła się era atomu, która w ciągu zaledwie kilku następnych lat miała zmienić losy świata. Na początku roku 1939 o odkryciu dowiedział się przebywający wówczas Wielkiej Brytanii Leo Szilard. Kilka miesięcy później w liście do Alberta Einsteina opisał konstrukcję złożoną z kratownicy uranu i grafitu – prototyp pierwszego reaktora jądrowego. Mniej więcej w tym czasie grupa pracujących w Paryżu uczonych ( Frederic Joliot Curie, Francis Perrin, Hans Halban, Lew Kowarski) opracowali teoretyczne podstawy reakcji łańcuchowej oraz produkcji elektryczności z energii atomowej. Sformułowali oni m.in. pojęcie masy krytycznej – najmniejszej masy jaka potrzebna jest by mogła nastąpić reakcja łańcuchowa, oraz zauważyli, że duża obecność w uranie naturalnym izotopu U-238 (słabiej rozszczepialnego niż występujący w znikomych ilościach U-235) uniemożliwia poprawny przebieg reakcji łańcuchowej. By reakcja mogła przebiegać poprawnie potrzebna jest substancja spowalniająca neutrony (np. ciężka woda). W roku 1940 w Wielkiej Brytanii dwóch niemieckich uczonych Otto Frisch i Rudolph Peierls odkryło, że dzięki odizolowaniu izotopu U-235 od U-238 nie jest konieczne użycie moderatora, jednak reakcja w tym wypadku nie jest reakcją kontrolowaną. Niedługo później odkryto, że U-235 może być zastąpiony sztucznie uzyskanym izotopem plutonu P-239. I tak powstała pierwsza koncepcja bomby jądrowej, a świat ogarnięty wojną skupił się na jej wytworzeniu, zamiast na pokojowych możliwościach wykorzystania ogromnej energii uzyskiwanej z jądra atomu. Początkowo naukowcy w różnych krajach prowadzone badania nad rozszczepialnością jądra atomu konsultowali i rozpowszechniali między sobą. Wybuch wojny jednak odizolował niemieckich naukowców, a w kolejnych latach wojna wpłynęła także i na inne państwa, które kontynuowały badania praktycznie każde na własną rękę. Głównymi ośrodkami stały się USA (miejsce emigracji wielu naukowców z Europy), Wielka Brytania (do 1941 r. wspólnie z USA), Francja, Niemcy, Japonia, a później również Rosja.

Pierwszy cel - bomba atomowa

W kwietniu 1939 r. naziści zaczęli w Niemczech, pod kryptonimem „projekt U” (Uranmaschine), tajne intensywne prace nad wykorzystaniem energii jądrowej. Grupa naukowców pod kierownictwem Wernera Heisenberga pracowała głównie nad budową reaktorów do pozyskania plutonu P-239. Jednak z powodu rozproszonych ośrodków naukowych, niewielkiej liczby naukowców, przyjęcia przez zespół błędnych założeń i nieprawidłowej interpretacji wyników eksperymentów, prace posuwały się zbyt wolno aby Hitler mógł doczekać się bomby atomowej przed ostateczną klęską Niemiec. O ile niemieccy naukowcy byli pionierami badań jądrowych do roku 1941, o tyle później zostali daleko w tyle za Amerykanami i Brytyjczykami, a nawet Rosjanami. Wynikało to również z faktu, że znaczna część wybitnych fizyków, chemików i inżynierów uciekła do USA przed prześladowaniami w III Rzeszy i okupowanej przez nią Europie (należy pamiętać, że wielu z nich miało pochodzenie żydowskie np. Albert Einstein czy Leo Szilard).

Zupełnie inaczej wyglądały prace przebiegające w USA. Jeszcze przed oficjalnym wybuchem wojny, Leo Szilard i inny węgierski naukowiec Eugene Wigner obawiając się, że hitlerowskie Niemcy wykorzystają zapoczątkowane w ich kraju badania do celów militarnych napisali w tej sprawie list do Alberta Einsteina, który z kolei o możliwościach wykorzystania energii z atomu powiadomił prezydenta USA Franklina D. Roosvelta. I choć już wtedy zaczęto prowadzić badania zmierzające do zbudowania bomby jądrowej, to pełną parą ruszyły one po ataku Japonii na Pearl Harbour w grudniu 1941 r., kiedy to USA przystąpiło oficjalnie do wojny przeciw państwom osi. W 1942 r. ruszył projekt Manhattan, którego celem było wyprodukowanie bomby wcześniej niż zrobią to hitlerowskie Niemcy (Amerykanie nie mieli pojęcia o przebiegu prac w Niemczech). Tajny ośrodek badawczy ulokowano w Los Alamos na pustyni Newada. Kierownikiem projektu został Robert J. Oppenheimer, oprócz niego uczestniczyły w nim tak znamienne postacie jak Niels Bohr, Artur Compton, Enrico Fermi, Otto Frisch, Klaus Fuchs (któremu później udowodniono szpiegowanie na rzecz Związku Radzieckiego), Leo Szilard, Eugene Wigner. W ramach projektu uczestniczyło ogółem aż 26 ówczesnych i przyszłych laureatów Nagrody Nobla.

Pierwszy reaktor

Już pod koniec roku 1942, pod trybunami kortów do gry w squash na uniwersytecie w Chicago, powstał pierwszy na świecie eksperymentalny reaktor jądrowy (zwany wówczas stosem jądrowym) – CP1, zbudowany z bloków grafitowych z których część miała otwory, w których umieszczono uran. I tak z użyciem tego reaktora, przeprowadzono pierwszą kontrolowaną łańcuchową reakcję jądrową. Ponieważ ten pierwszy eksperymentalny model nie posiadał ani chłodzenia ani osłon pierwsze uruchomienie przerwano po 28 min za pomocą pręta kadmowego. Ponieważ stos CP1 posiadał małą moc cieplną (0,5 MW) natychmiast po jego pomyślnym uruchomieniu rozpoczęto prace nad kolejnymi reaktorami o większej mocy zdolnymi produkować pluton potrzebny do budowy bomby. I tak pod koniec roku 1944 w specjalnym ośrodku w Hanford wybudowano pierwsze reaktory produkcyjne chłodzone wodą. W tym samym czasie w Los Alamos toczyły się prace nad konstrukcją bomby jądrowej. W połowie lipca 1945 r. pod kryptonimem Trinity wykonano na pustyni pierwszy testowy wybuch bomby jądrowej. Mimo że konstrukcja była oparta tylko na teoretycznych założeniach i obliczeniach próba zakończyła się sukcesem. Była to bomba implozyjna z rdzeniem plutonowym, którą zespół konstrukcyjny musiał przetestować z powodu braku możliwości teoretycznego wyliczenia prawdopodobieństwa wybuchu. Drugiej bomby – z rdzeniem uranowym i mechanizmem tzw. działa nie trzeba było testować. Naukowcy byli w 100% pewni prawidłowości jej konstrukcji i prawdopodobieństwa wybuchu. Bomba ta została zrzucona później na Hiroszimę.

Po detonacji pierwszej bomby na poligonie wojskowym naukowcy zdali sobie naprawdę sprawę z siły jaką kryje w sobie jądro atomu. Wynik testu przeszedł najśmielsze oczekiwania, nikt nie przewidywał eksplozji z taką siłą (ok. 15-18 kt TNT). W tym momencie prawie gotowe były już 3 kolejne bomby. 6 sierpnia 1945 r. pierwsza z nich została zrzucona na Hiroszimę (bomba uranowa o nazwie Little Boy) a druga 9 sierpnia na Nagasaki (bomba plutonowa Fat Man). Użycie bomb jądrowych przeciwko Japonii wywołało bardzo różne reakcje naukowców. Część z nich, m.in. Fermi i Oppenheimer, którzy do końca pracowali nad bombą, było pełnych podziwu dla uzyskanych efektów. Wielu innych (m.in. Leo Szilard) sprzeciwiało się jej użyciu, a po fakcie zaczęło czynnie uczestniczyć w ruchu, którego celem było rozbrojenie atomowe (najpierw USA a potem kolejnych państw, które z czasem zbudowały własną broń jądrową). Trzeba jednak przyznać, że niewątpliwą korzyścią wynikającą z intensywnych prac nad bronią jądrową był duży postęp jaki poczyniono w zakresie fizyki jądrowej jak i innych dziedzin nauki i przemysłu.

Należy wyraźnie zaznaczyć, że choć podstawy fizyczno-techniczne do budowy elektrowni jądrowych zostały opracowane na potrzeby budowy broni jądrowej (która była w czasie II wojny światowej głównym celem wykorzystania energii jądrowej), to jednak naukowcy już od chwili odkrycia reakcji rozszczepienia jądra atomu zdawali sobie sprawę z możliwości pokojowego wykorzystania energii jądrowej, w tym poprzez budowę elektrowni wykorzystujących to zjawisko fizyczne.

Energia jądrowa - "dla" a nie "przeciwko" ludzkości

Już w trzy miesiące po zrzuceniu bomb na Japonię USA, Wielka Brytania i Kanada ( która dostarczała uran używany podczas projektu Manhattan) wydały deklarację, która była pierwszym krokiem do zakazu posiadania broni jądrowej. Zdano sobie sprawę, że posiadanie broni przez USA było bodźcem do wyprodukowania jej przez inne państwa co mogło mieć w konsekwencji bardzo destrukcyjne skutki. Tak więc z końcem wojny zaczęła się zupełnie nowa era dla energii atomowej – zakładająca jej wykorzystanie dla dobra ludzkości. Dużą rolę odegrali tu także naukowcy, którzy (nawet Oppenheimer) protestowali przeciw dalszemu doskonaleniu bomby jądrowej. Już w roku 1946 w USA miejsce wojska w kontrolowaniu badań nad energią jądrową zajął organ cywilny – Komisja Energii Atomowej. W roku 1953 prezydent Eisenhower zapowiedział nowy kierunek w dziedzinie energii jądrowej –„Atom dla pokoju”. Miejsce tajnych ośrodków z projektu Manhattan zajęły państwowe laboratoria prowadzące badania nad pokojowymi aspektami wykorzystania energii atomowej. W program rozwoju energetyki jądrowej włączył się przemysł prywatny (m.in. firmy Westinghouse i General Electric), powstało wiele reaktorów badawczych (m.in. Reaktor TRIGA - chłodzony wodą, z wodorkiem cyrkonu służącym jako moderator, a uranem jako paliwo -zaprezentowany przez General Atomics na konferencji na temat „Pokojowego wykorzystania energii atomowej” w Genewie w 1958 r.), odrodziła się międzynarodowa współpraca w kwestii energii jądrowej – tym razem służącej celom cywilnym. W roku 1957 z ramienia ONZ powstała Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej która objęła patronat nad prowadzeniem i rozwijaniem badań nad praktycznym zastosowaniem energii jądrowej, propagowaniem jej pokojowych zastosowań, szkoleniem naukowców w tym zakresie oraz wszelkimi aspektami bezpieczeństwa. W latach 60 rozpoczęto cykl układów o ograniczeniu i redukcji broni jądrowej. Przez kolejne lata sukcesywnie podpisywano kolejne porozumienia, które w 1996 r. zaowocowały układem o całkowitym zakazie prób jądrowych (CTBTO).

Powrócono do koncepcji, która pojawiła się już przed projektem Manhattan, a mianowicie wykorzystania reaktorów jako napędu w okrętach, statkach, samolotach, a w szczególności łodziach podwodnych. Główne zalety napędu jądrowego to bardzo małe zużycie paliwa (energia pozyskana z 1kg wzbogaconego paliwa uranowego = energii z 70 ton węgla), zwiększenie prędkości pływania, zmniejszenie częstotliwości wynurzania (reaktor dostarcza także tlenu i wody pitnej z wody morskiej). Pierwszy taki reaktor zamontowano na łodzi podwodnej Nautilus. Był to reaktor wodny ciśnieniowy (PWR) o mocy 11,2 MWe. Łącznie Stany Zjednoczone zbudowały około 191 okrętów podwodnych, 9 krążowników i 10 lotniskowców o napędzie jądrowym. 4 lata po Amerykanach technologię budowy łodzi podwodnych o napędzie jądrowym posiedli Rosjanie, którzy zbudowali 248 takich okrętów, w tym największy na świecie okręt podwodny – klasy Tajfun . Napęd jądrowy w łodziach podwodnych zastosowały również Wielka Brytania, Francja, Chiny, Niemcy, Japonia. W roku 1961 uruchomiono pierwszy na świecie reaktor mobilny (PM-2A o mocy 2 MeW)– a więc taki który mógł być przenoszony z miejsca na miejsce – co było doskonałym rozwiązaniem np. dla wojska.

Pierwsze elektrownie jądrowe

W pierwszych powojennych latach skupiano się więc nadal na militarnych zastosowaniach energii jądrowej. W latach 1955 -1957 rozpoczęto budowę komercyjnych reaktorów energetycznych. Pierwsze bloki energetyczne powstawały we Francji, USA, Związku Radzieckim, Wielkiej Brytanii i Szwecji. Pierwszą generację reaktorów stanowiły konstrukcje przejęte z programów wojskowych. Były to reaktory wykorzystujące uran naturalny lub słabo wzbogacony, z moderatorem grafitowym, chłodzone wodą, przystosowane do wymiany paliwa podczas pracy. Pierwszym na świecie reaktorem który dostarczył energię elektryczną był reaktor badawczy na neutrony prędkie - EBR-1- z paliwem plutonowym, chłodzony ciekłym metalem, zbudowany w pobliżu Idaho Falls. W 1953 r. również w Idaho Falls uruchomiono dwa prototypy reaktorów, które dziś są najczęściej eksploatowanymi rodzajami reaktorów: prototyp reaktora wodno ciśnieniowego PWR i prototyp reaktora wodno wrzącego BWR. Lata 50-te to także okres intensywnego rozwoju sektora prywatnego zajmującego się budową i projektowaniem elektrowni jądrowych (firma Westinghouse wybudowała pierwszą w pełni komercyjną elektrownie jądrową, firma General Electric wyspecjalizowała się w produkcji reaktorów BWR). Mimo przewagi technologicznej, a także monopolu na wzbogacanie uranu USA, także inne państwa produkowały swoje typy reaktorów. W Wielkiej Brytanii powstał typ Magnox (moderator grafitowy, chłodzenie gazowe ), w Kanadzie CANDU (moderowany i chłodzony ciężką wodą), Rosja zbudowała AM-1 – pierwowzór RBMK.

W 1954 r. Rosjanie uruchomili go w pierwszej na świecie elektrowni atomowej w Obnińsku -AES-1. Była to elektrownia o mocy jedynie 5 MWe, służąca do zaopatrywania w energię pobliskiego Instytutu Atomowego. Za pierwszą na świecie typowo komercyjną elektrownię jest uważana Calder Hall w Wielkiej Brytanii. Uruchomienie jej pierwszego reaktora Magnox nastąpiło w roku 1956 r., stopniowo uruchomiono blok drugi, trzeci i czwarty. Każdy z nich miał moc 50 MWe. Kolejną elektrownią komercyjną była elektrownia z reaktorem PWR w Shippingport w USA.

W kolejnych latach nastąpił dalszy rozwój energetyki jądrowej, w wielu państwach wstrzymany lub zahamowany po awariach w Three Mile Island (1979) i Czarnobylu (1986). Obecnie, z powodu wyczerpujących się surowców energetycznych oraz dużego postępu technologicznego w zakresie projektowania i zabezpieczania obiektów jądrowych, energetyka jądrowa przeżywa swój renesans. Państwa posiadające już elektrownie jądrowe budują nowe, w niektórych państwach które zrezygnowały z tej formy pozyskiwania energii atom wraca do łask, po takie rozwiązanie sięgają również kraje które nigdy nie posiadały elektrowni jądrowych. Konkurencyjność energetyki jądrowej wobec innych źródeł energii a także jej praktycznie znikoma szkodliwość dla środowiska gwarantuje, że w ciągu najbliższych lat będzie się ona nadal dynamicznie rozwijać.

Poniższa tabela ilustruje kolejność wchodzenia przez poszczególne państwa do "klubu atomowego". 

Opracowanie: Katarzyna Hadamik

Bibliografia:

1. Grzegorz Jezierski, „Energetyka jądrowa wczoraj i dziś”, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2005
2. U.S Department of Energy, Office of Nuclear Energy, Science and Technology „The History of Nuclear Energy”, Washington, D.C.
3. IAEA Country Nuclear Power Profiles
4. WNA Country Briefings