Magnox - początki energetyki jądrowej

Obecnie w wielu rozwiniętych krajach świata przyszłość energetyki atomowej stoi pod znakiem zapytania. Coraz wyższe koszty, negatywne nastroje społeczne, brak spójności ze źródłami odnawialnymi wydają się ją stawiać na przegranej pozycji. W latach pięćdziesiątych, kiedy uruchamiano pierwszy przemysłowy reaktor jądrowy Magnox, nastroje były zgoła odmienne. Z energetyką atomową wiązano wówczas duże nadzieje. Przemawiały względy ekonomiczne oraz wysoki stopień bezpieczeństwa energetycznego, w tym możliwość znacznego pokrycia ówczesnego i przyszłego zapotrzebowania na energię.

Zniszczenie Hiroszimy i Nagasaki zapoczątkowało erę zbrojeń atomowych. Kolejne lata zaowocowały powiększaniem jądrowych arsenałów i groźbą kolejnej wojny. Podnosiły się głosy nawołujące do opamiętania i zaprzestania prób jądrowych, a nawet całkowitego zakazu wykorzystania tego rodzaju technologii. Trwały jednak również projekty mające na celu zastosowanie mocy rozszczepionego atomu w ramach działań pokojowych. Pojawiła się wizja źródła czystej i taniej energii. Prace w laboratoriach przynosiły efekty i w roku 1956 w Calder Hall w Anglii otwarto pierwszą elektrownię atomową produkującą prąd na skalę przemysłową. Wydarzenie rozpoczęło nową epokę na drodze rozwoju światowej energetyki.

Prace nad rozbiciem atomu

Gdy poznano strukturę jądra atomowego i wyodrębniono elementarne cząstki tej struktury (protony oraz neutrony) pojawiło się oczywiście pytanie o możliwość jego rozszczepienia. Według słynnego równania E=mc² podczas takiej operacji nawet niewielka masa mogła zostać przekształcona w dużą ilość energii. Eksperyment taki intrygował wielu fizyków. Choć jeszcze w 1932 roku Einstein powątpiewał, czy w ogóle kiedykolwiek uda się uzyskać energię jądrową, już sześć lat później Otto Hahn i Friedrich Strassmann zbombardowali jądro uranu neutronami uzyskując eksperymentalne jego rozszczepienie. Zrozumiano wówczas, iż rozpad jądra można uzyskać dzięki reakcji łańcuchowej, w efekcie której kolejno rozszczepianie jądra wysyłają neutrony kontynuujące cały proces aż do wyczerpania całego zasobu materiału. Zrozumiano także, iż podczas gdy reakcja wybuchowa wyzwala ogromne ilości energii (świetlnej, cieplnej, kinetycznej), kontrolowana reakcja łańcuchowa przeprowadzona w reaktorze mogłaby stanowić jej bezpieczne źródło. Wybuch wojny spowodował, iż cele militarne uzyskały wówczas priorytety. Rozpoczęto proces budowy reaktora do wzbogacania uranu, dzięki któremu powstałby materiał do produkcji bomby. Pierwszy tego typu reaktor powstał w Stanach Zjednoczonych. 

Pierwszy reaktor

Projekt Manhattan obejmował badania nad konstrukcją reaktora oraz prace prowadzone w ramach wzbogacaniem uranu (uran-235), a także pozyskania plutonu, materiału rozszczepialnego niezbędnego do produkcji bomby. W efekcie prowadzonych prac pod kierunkiem Enrico Fermi powstał pierwszy reaktor jądrowy - 2 grudnia 1942 roku stos osiągnął masę krytyczną i poinformowano o przeprowadzeniu udanej samopodtrzymującej reakcji łańcuchowej. Reaktor zbudowany został w pomieszczeniach stadionu uniwersyteckiego Alonzo Stagg Field w Chicago zaadoptowanych na potrzeby laboratorium. Chicago Pile nr 1 (stos chicagowski nr 1) wykonano z wydrążonych bloków grafitowych oraz uranowych wsadów. Kontrolę nad reakcją łańcuchową uzyskano dzięki wsuwanym ręcznie prętom zawierającym kadm - pierwszą reakcję przerwano po 28 minutach pracy. Stos nie posiadał systemu chłodzenia, ponieważ miał działać jedynie w celach eksperymentalnych przy niewielkiej mocy. Po udanej próbie zapadły decyzje dotyczące budowy kolejnych reaktorów, tym razem już większej mocy, zdolnych produkować wymagany do budowy bomby pluton.

Reaktory produkcyjne

Reaktory produkcyjne chłodzone wodą konstruowane były w Hanford w stanie Waszyngton. Kilka miesięcy po ich uruchomieniu przeprowadzone zostały pierwsze próby nuklearne (kryptonimem Trinity). Choć oczywiście wiedziano o mocy kryjącej się w atomowym jądrze, efekty eksplozji przeszły najśmielsze oczekiwania. Kilka tygodni później Little Boy i Fat Man zostały zdetonowane nad Hiroszimą i Nagasaki. Bardzo szybko zorientowano się, że posiadanie broni przez Stany Zjednoczone doprowadzi do wyścigu zbrojeń, dlatego niektóre państwa podjęły próby stosownych działań zapobiegawczych na najwyższych szczeblach władzy. Środowisko naukowców podzieliło się. Niektórzy z fizyków pracujący przy projekcie wstąpili w szeregi członków ruchów rozbrojeniowych. Od początku prac doświadczalnych było jednak wiadomo, iż reakcja łańcuchowa może zostać wykorzystana także w ramach działań pokojowych. Zdaniem niektórych postęp jaki poczyniono w zakresie fizyki jądrowej w ramach wyścigu zbrojeń w takim samym stopniu przyczynił się do przyspieszonego rozwoju energetyki atomowej, jak i rozszerzania atomowych arsenałów.

„Atom dla pokoju”

W roku 1953 prezydent Eisenhower oficjalnie zapowiedział nową inicjatywę w dziedzinie badań jądrowych – „Atom dla pokoju”. Pojawiły się państwowe laboratoria działające w ramach pokojowego wykorzystania energii drzemiącej w atomowym jądrze. Do akcji włączył się także sektor prywatny, w tym Westinghouse i General Electric. Prace laboratoryjne oczywiście trwały nieprzerwanie od czasu zakończenia wojny. Już w 1951 roku uruchomiono Experimental Breeder Reactor 1 w Narodowym Laboratorium Inżynierii i Środowiska w Idaho. Reaktor był w stanie wyprodukować użyteczną porcję energii elektrycznej powstałej w wyniku reakcji jądrowej. Popłynął prąd, który rozświetlił wówczas cztery niewielkie żarówki.

Oczywiście Stany Zjednoczone nie posiadały już monopolu na reakcję łańcuchową. Do gry włączył się także Związek Radziecki. To właśnie tam, w Obnińsku oddalonym o 100 kilometrów od Moskwy, uruchomiono w roku 1954 AM-1, reaktor działający na użytek cywilny w ramach pierwszej na świecie eksperymentalnej elektrowni jądrowej. Reaktor zasilał położony tuż obok Instytut Atomowy, a w kolejnych latach wykorzystany został do ogrzewania 2000 pobliskich gospodarstw. Rok później w Stanach Zjednoczonych uruchomiono BORAX-III, pierwszy reaktor jądrowy podłączony do publicznej sieci energetycznej. W ramach prowadzonych testów reaktor dostarczał energię elektryczną m.in. do pobliskiego miasta Arco (w stanie Idaho), czyniąc je pierwszą na świecie aglomeracją miejską zasilaną z wykorzystaniem energii jądrowej.

Calder Hall

W październiku 1956 roku w Calder Hall w Anglii nastąpiło uroczyste otwarcie pierwszej na świecie przemysłowej elektrowni atomowej. Reaktor Magnox miał wypełniać dwa zadania - dostarczać energii elektrycznej do krajowej sieci energetycznej oraz pary i ciepła dla lokalnych zakładów przemysłowych, ale także plutonu do celów zbrojeniowych, realizując w ten sposób także ważne zadania w brytyjskim programie atomowym. Jego rola dla krajowej energetyki była jednak nie do przecenienia. Cztery reaktory Magnox o łącznej mocy 200-240 MW pracowały w Calder Hall bezawaryjnie przez 47 lat torując drogę dla innych tego rodzaju inwestycji na świecie. Ogółem w Wielkiej Brytanii uruchomiono 11 reaktorów Magnox, kolejne dwa wyeksportowano do Włoch i Japonii. 

Magnox

Reaktor Magnox miał bardzo prostą budowę, co zmniejszało prawdopodobieństwo awarii podnosząc jednocześnie poziom bezpieczeństwa. Paliwem tutaj był zwykły uran (późniejsze modele wykorzystywały uran wzbogacony) zawierający jedyni 0,7% uranu-235. Rdzeń reaktora spoczywał w betonowym zbiorniku, a grafitowy spowalniacz neutronów utrzymywał reakcję łańcuchową pod kontrolą. Uranowe pręty paliwowe w koszulkach z magnoxu (stopu magnezu i aluminium z domieszką innych metali) stanowiły najważniejszy element reaktora. Umieszczone były w pionowych kanałach wykonanych w rdzeniu. Kanały służyły także dla wprowadzenia prętów kontrolnych wykonanych z boru, które absorbowały neutrony przerywając proces reakcji łańcuchowej. Użycie zwykłego uranu wymagało częstej wymiany prętów paliwowych, jednak projekt urządzenia został pomyślany tak, aby nie istniała konieczność jego całkowitego wyłączania. Podczas pracy rdzeń wytwarzał dużo koniecznego ciepła, ale jego temperatura niebezpiecznie podnosiła się. Aby utrzymać ją na właściwym poziomie i nie doprowadzić do stopienia, rdzeń wymagał specjalnego systemu chłodzącego i chłodziwa w postaci dwutlenku węgla. To właśnie dzięki nim odbywała się produkcja energii. Gorący gaz w specjalnym wymienniku ciepła oddawał energię wodzie, która przechodząc w parę napędzała turbiny elektrowni generując prąd. 

Uruchomienie Magnoxa w elektrownia Calder Hall zapoczątkowało nowy etap w rozwoju energetyki. W okresie swojej świetności w 1996 roku udział energii elektrycznej otrzymanej w wyniku reakcji jądrowych osiągnął pułap 17,5% całej światowej produkcji. Obecnie liczby te są znacznie niższe, jednak w obliczu zagrożenia klimatycznego ze strony wysokoemisyjnych źródeł, rola energii jądrowej wydaje się być ciągle istotna, przynajmniej w znaczeniu czynnika uzupełniającego energetyczny zestaw źródeł odnawialnych realizujący scenariusze ograniczające średni wzrost temperatur wpływających na globalne ocieplenie.