Początki energetyki jądrowej sięgają lat 50. ubiegłego wieku. W związku z planowaną budową elektrowni jądrowej w Polsce warto przybliżyć początki energetyki jądrowej na świecie.

Amerykański znaczek pocztowy wydany z okazji ogłoszenia deklaracji „Atomy dla pokoju”.

Ten pierwszy raz
    Otóż świat dowiedział się o ogromnym potencjale energii zawartej w jądrze atomu w 1945 r., niestety poprzez skutki użycia dwóch bomb atomowych w Japonii. Rok po zakończeniu drugiej wojny światowej Amerykanie zademonstrowali światu na wyspie Bikini, iż są w stanie produkować i testować kolejne, coraz to silniejsze (o większej mocy) ładunki jądrowe. Mimo że amerykańskie badania i doświadczenia nad wykorzystaniem energii jądrowej trzymane były w ścisłej tajemnicy, świat z obawą czekał, kiedy i które kolejne państwo posiądzie wiedzę i możliwość wykorzystania energii jądrowej. I nie trzeba było zbyt długo czekać – w 1949 r. Związek Radziecki dokonał pierwszej udanej próby z bronią jądrową, a w 1952 r. Wielka Brytania. 

 Atomy dla pokoju
    Stąd też 8 grudnia 1953 r. prezydent Stanów Zjednoczonych Dwight Dawid Eisenhower, przemawiając na Zgromadzeniu Ogólnym ONZ zapowiedział nowy kierunek polityki Stanów Zjednoczonych dotyczący dalszego rozwoju i wykorzystania energii jądrowej, określany jako „Atomy  dla pokoju”. Zaproponował, by „zabrać broń jądrową z rąk żołnierzy i włożyć ją w ręce tych, którzy wiedzą, jak pozbawić jej  militarnej otoczki i zaadaptować dla celów pokojowych”. Prezydent Eisenhower zasugerował, iż ta „zamiana mieczy na lemiesze” zminimalizuje niszczący potencjał jądrowy świata. W szczególności, według prezydenta w ramach międzynarodowej współpracy powinny być rozwijane i budowane reaktory jądrowe w celu wytwarzania energii elektrycznej w tych częściach świata, gdzie jej brakuje. Postulował też utworzenie międzynarodowej agencji zajmującej się wykorzystaniem programu „Atomy dla pokoju”.

Galaktyka NGC 7252 „Atomy dla pokoju” – nazwana tak ze względu na swój niezwykły kształt; jasne mgliste smugi podobne są do skrzydeł gołębich (gołąb to symbol pokoju), a rozmycie centralnej części obiektu przypomina dawne wyobrażenie atomu.

    Deklaracja amerykańskiego prezydenta uruchomiła liczne ambitne plany pokojowego wykorzystania energii jądrowej zarówno w samych Stanach Zjednoczonych (program Plowshare¹, projekt Nuplex², programy dotyczące wykorzystania energii jądrowej do napędu okrętów, statków, samolotów, rakiet i in.), jak i w innych państwach świata. Zmieniła ona także stosunki Stanów Zjednoczonych z innymi państwami – zamiast utrzymywania zasady tajności wprowadzono, z odpowiednim zabezpieczeniem, dwustronne uzgodnienia dotyczące udostępniania innym krajom materiałów i technologii jądrowych do zastosowań cywilnych (Indie, Irak, RPA i in.). 

Era atomu
    Wraz z zakończeniem drugiej wojny światowej nastąpiła nowa era – można powiedzieć „Era atomu”. Słowo atom stało się synonimem czegoś eleganckiego, szykownego. Atom był traktowany jako władca świata dosłownie i w przenośni. Początkowo społeczeństwo amerykańskie (jako monopolista w zakresie posiadania broni jądrowej) nie zdawało sobie sprawy z zagrożeń, jakie może nieść energia jądrowa, a władze czyniły wszystko, by przedstawiać same korzyści z energii jądrowej. Często powtarzanym sloganem był: „nasz przyjaciel atom” (our friend the atom). Tak więc w Stanach Zjednoczonych, ale nie tylko tam, zapanował powszechny optymizm, jeśli chodzi o wykorzystanie energii jądrowej.
    Energia jądrowa miała służyć niemal do wszystkiego: zasilać statki i okręty, samoloty (mówiono, że ich zasięg ograniczony będzie jedynie ilością kanapek i kawy dla załogi), lokomotywy i samochody, a nawet myślano o jądrowych zmywarkach czy naręcznych zegarkach³, zaparzaczach do kawy zasilanych energią z plutonu. Amerykanie popijali atomowe koktajle, tańczyli przy piosenkach poświęconych bombom atomowym, zamawiali atomowe zabawki. Powstawały „atomowe” restauracje, bary, kina oraz teatry i inne lokale, miejscowości i ulice, a nawet firmy (w 1947 r. w książce telefonicznej samego tylko Manhattanu odnotowano 45 firm, które używały słowa „atomowy”). Niektóre wyższe uczelnie określały swoje drużyny piłkarskie jako „atomowe” (The Atoms). Wielu nowo narodzonym dzieciom nadawano „atomowe” imiona, np. Atomic Buster, Cosmic Bomb, Sir Atom i in. W znanej miejscowości Las Vegas graniczącej z poligonem wojskowym w Nevadzie, gdzie dokonywano próbnych wybuchów jądrowych, urządzano wiele atrakcji związanych z erą atomu, jak np. wybory miss wśród tancerek rewiowych („Miss Atomic Blast”, „Miss A-Bomb”, „The Last Miss Atomic Bomb”).

Słynna budowla Atomium oddana do użytku z okazji Światowej wystawy w Brukseli w 1958 r. nawiązująca do ery atomu przedstawia model kryształu atomu żelaza (powiększony 165 mld razy).

    Na Zachodzie, a głównie w Stanach Zjednoczonych zaczęła się tworzyć subkultura ery atomowej. W sztuce użytkowej (zegarki, lampy, zastawa kuchenna i in.) zapanował „atomowy styl” charakteryzujący  się wzornictwem nawiązującym do budowy atomu czy rozchodzących się promieni. W latach 50. i 60. XX w. powstawały liczne powieści („Hiroszima” Johna Hersey`sa, „On the Beach” Nevilla Shute`sa, „Fail Safe” Eugena Burdicka i in.), filmy („Dr. Strangelove”, “The Atomic Cafe”, „On the Beach”, „Our Friend The Atom”, „The Red Menace”, „The Day the Earth Stood Still”, „The Beginning of the End”, „Godzilla, King of the Monsters”, „The Day After”, „The Atomic City”, „Threads”, „Seven Days in May”, „War Games”, „Planet of the Apes”, „Miracle Mile”, „Broken Arrow”, „Repo Man” i in.), zespoły muzyczne (np. słynny brytyjski zespół rockowy Atomic Rooster), muzyka („Atomic Cocktail”, „Atomic Boogie”, „Atomic Polka”, „Atomic Bomb Blues”, „Atomic Baby”, „Atomic Christmas”, „Jesus Hits Like an Atom Bomb” i in.), rzeźby (w tym wykonywane również z uranu), obrazy i plakaty o tematyce atomowej.

Żyletki do golenia „Ery atomowej”.

    30 sierpnia 1954 r., a więc wkrótce po inicjatywie „Atomy dla pokoju” prezydent Dwight Dawid Eisenhower podpisał pierwszą ważną nowelizację do ustawy o energii atomowej (The Atomic Energy Act of 1954), która przewidywała odtajnienie energii jądrowej oraz włączenie się przemysłu prywatnego w rozwój energetyki jądrowej. Z początkiem 1954 r. działająca już od 1946 r. Komisja Energii Atomowej (Atomic Energy Commission - AEC) opracowała pięcioletni plan rozwoju nowych demonstracyjnych reaktorów jądrowych (Power Demonstration Reactor Program – PDRP), który zobowiązała się finansować. W ramach tego programu komisja AEC oraz przemysł miały współpracować nad opracowaniem konstrukcji i uruchomieniem różnych typów reaktorów jądrowych. Były to: reaktor wodny ciśnieniowy opracowany  przez firmę Westinghouse Corporation, eksperymentalny reaktor wrzący (Argonne National Laboratory), reaktor powielający na neutrony prędkie (również w Argonne), reaktor moderowany grafitem i chłodzony ciekłym sodem (North American Aviation) oraz reaktor jednorodny na paliwo ciekłe (Oak Ridge National Laboratory - ORNL). W wyniku zebranych wielu doświadczeń z pięciu zbudowanych i eksploatowanych typów reaktorów energetycznych w ostateczności pozostały dwa typy: reaktor wodny ciśnieniowy (PWR – Pressurized Water Reactor) oraz reaktor wodny wrzący (BWR – Boiling Water Reactor).

Makieta samochodu osobowego Ford Nucleon o napędzie jądrowym.

 Pierwszy reaktor
    Pierwszym reaktorem jądrowym, który sygnalizował odwrót od zastosowań wojskowych, był amerykański reaktor na neutrony prędkie EBR-1 (Experimental Breeder Reactor), pierwotnie znany jako CP-4 (Chicago Pile) lub ZIP (Zinn`s Infernal Pile) uruchomiony przez zespół naukowców pod kierunkiem Waltera Zinna. 20 grudnia 1951 r. o godz. 1323 reaktor EBR-I dostarczył energii elektrycznej – zapaliły się pierwsze cztery żarówki o mocy 200 W. Następnego dnia moc elektryczna została zwiększona do 100 kW. Nie była to oczywiście jeszcze elektrownia jądrowa, gdyż reaktor EBR-I był przeznaczony głównie dla określenia możliwości powielania paliwajądrowego. Wytwarzanie energii elektrycznej było ubocznym przeznaczeniem tego reaktora, dlatego do 1963 r. wyprodukował on zaledwie 0,6 GWh energii elektrycznej brutto. Reaktor EBR-I pracował do 1966 r., a od czerwca 1975 r., czyli po zakończeniu  jego dekontaminacji, jest udostępniony dla publiczności jako obiekt muzealny.

Widok z Las Vegas na próbną eksplozję w Nevadzie w 1952 r.

    Prezydent Lyndon Johnson podczas ceremonii ustanowienia reaktora EBRI jako zabytku w kategorii technicznej w dniu 26 sierpnia 1966 r. powiedział m.in.: „Przybyliśmy do miejsca, gdzie narodziła się nadzieja, iż człowiek może uczynić więcej z odkrycia rozszczepienia jądra niż tylko destrukcję – zniszczenia”. Jakże prorocze okazały się wówczas słowa wypowiedziane przez amerykańskiego prezydenta, skoro obecnie pracuje w świecie 440 reaktorów jądrowych dostarczających prawie 14% wytwarzanej energii elektrycznej.
    W latach 50. ubiegłego wieku narodziła się także koncepcja reaktora do napędu łodzi podwodnych – był to reaktor ciśnieniowy chłodzony i moderowany zwykłą wodą. Pozytywne wyniki uzyskane z reaktorem  tego typu skłoniły w 1953 r. komisję AEC do podjęcia budowy elektrowni jądrowej na bazie tego reaktora w Shippingport (ok. 56 km od Pittsburga) w stanie Pensylwania.

Pierwsza na świecie elektrownia jądrowa
    Ale zanim oddano do eksploatacji elektrownię jądrową w Shippingport, 27 czerwca 1954 r. została uruchomiona (pierwsza na świecie) elektrownia jądrowa w Obnińsku (ok. 100 km od Moskwy), gdzie znajdował się uruchomiony w grudniu 1945 r., w ramach prac nad budową radzieckiej bomby atomowej, Instytut Atomowy.

Atomowy teatr w Oak Ridge

    Warto w tym miejscu podkreślić, iż elektrownia ta o mocy elektrycznej zaledwie  5 MWe posiadała moc termiczną identyczną jak moc polskiego reaktora badawczego „Maria” (30 MWth) eksploatowanego w Instytucie Energii Atomowej w Świerku k. Otwocka. Ponieważ elektrownia w Obnińsku dostarczała prąd wyłącznie na potrzeby własne instytutu, zatem trudno jest uznać ją za komercyjną.

EJ w Shippingport
    Budowę elektrowni jądrowej w Shippingport rozpoczęto 6 września 1954 r. w sposób dość spektakularny. Otóż ówczesny prezydent Stanów Zjednoczonych, Dwight Dawid Eisenhower obecny w studiu telewizyjnym w Denver (Kolorado) w ceremonialny sposób przy użyciu „czarodziejskiej laski” uruchomił pracę zdalnie sterowanej spycharki na miejscu budowy tej elektrowni. Miało to symbolizować pokojowe wykorzystanie energii jądrowej zgodnie z wcześniej ogłoszonym programem „Atomy dla pokoju”. Trzy lata później odbyło się uroczyste uruchomienie elektrowni - 2 grudnia 1957 r., czyli dokładnie w 15. rocznicę uruchomienia pierwszego reaktora na świecie przez Enrico Feremiego w Chicago. W elektrowni Shippingport zastosowano pierwszy zbudowany w pełnej skali reaktor energetyczny (aczkolwiek jeszcze eksperymentalny), moderowany i chłodzony zwykłą wodą. Był to reaktor wodny ciśnieniowy Mark-I, jaki opracowywano do napędu łodzi podwodnej Nautilus.

Prezydent Lyndon Johnson trzymający w ręku jedną z czterech pierwszych żarówek, które zostały zasilone energią jądrową podczas ceremonii ustanowienia reaktora EBR-I zabytkiem w kategorii technicznej (Historical National Monument).

 3 konferencje
    Ważnym wydarzeniem dla rozwoju energetyki jądrowej na świecie były trzy kolejne konferencje organizowane pod egidą ONZ w Genewie na temat „Pokojowego wykorzystania energii atomowej”.
    Pierwsza z nich miała miejsce w dniach 8-20 sierpnia 1955 r. Na konferencji tej spotkali się po raz pierwszy uczeni - głównie fizycy jądrowi - z całego świata w celu otwartej wymiany myśli. W konferencji uczestniczyło ok. 2700 uczonych z 38 państw, przysłano ponad 1000 artykułów. Wyniki badań, które do tego czasu były uważane za ściśle tajne, swobodnie udostępniono publiczności. Na czas rozmów „żelazna kurtyna” między wschodem i zachodem uniosła się w górę. W swoim podsumowaniu sekretarz generalny konferencji Walter Whitman powiedział: „Wieść o tym, że elita naukowa krajów całego świata wymieniała między sobą informacje i pomysły na temat energii  jądrowej w celu rozwinięcia jej potencjalnych korzyści dla rodzaju ludzkiego, ogromnie podniosła na duchu laików na całym świecie. Tu wreszcie spełniły się od dawna oczekiwane marzenia w realizacji międzynarodowej współpracy”.

Pierwsze na świecie żarówki elektryczne zasilane energią jądrową.

    Uczestnikom konferencji zademonstrowano mały basenowy reaktor jądrowy (swimming pool reactor) przygotowany i dostarczony specjalnie na ten cel samolotem z ORNL w Stanach Zjednoczonych. Jego przygotowanie - projektowanie, budowa, testowanie, transport do Genewy oraz montaż - zajęło zaledwie 5 miesięcy. Uruchomienia reaktora dokonał osobiście prezydent Eisenhower, który tym samym został honorowym operatorem reaktora jądrowego. Reaktor ten był przedmiotem ogólnego zainteresowania – oglądał go również niemiecki uczony Otto Hahn, odkrywca procesu rozszczepienia jądra Uranu, któremu również pozwolono włączyć reaktor. Ponad 62 000 osób, włączając w to koronowane głowy państwa, prezydentów różnych państw i innych dygnitarzy, miało okazję podczas dwutygodniowych obrad konferencji zobaczyć po raz pierwszy reaktor jądrowy. Nigdy wcześniej naukowcy nie mogli tak otwarcie prezentować swoich osiągnięć, które jednocześnie były w tym czasie symbolem ich naukowego prestiżu. Po zakończeniu konferencji reaktor został sprzedany i pozostał w Szwajcarii.

Elektrownia jądrowa w Obnińsku

    W kolejnej, drugiej konferencji nt. „Pokojowego wykorzystania energii atomowej” we wrześniu 1958 r. (również w Genewie) uczestniczyło już 6000 osób z 46 państw, przysłano ponad 2000 artykułów. Podczas tej konferencji wykazano raczej dużą rezerwę względem energetyki jądrowej opartej na reaktorach rozszczepialnych, natomiast dużo uwagi poświęcano idei fizyki plazmy. Na przykład liczba proponowanych rozwiązań technicznych reaktorów energetycznych zmalała do 12 typów, podczas gdy na I konferencji omawiano aż 100 różnych rozwiązań, nie zawsze użytecznych. Jedynie delegacja szwedzka zademonstrowała reaktor Agesta jako prototyp nowoczesnego reaktora jądrowego, przewidzianego do produkcji energii elektrycznej oraz ciepła. Z kolei amerykańska firma General Atomics z San Diego (Kalifornia) dostarczyła na konferencję niewielki badawczy reaktor jądrowy noszący nazwę TRIGA (Training, Research, Isotope production, General Atomics). Reaktor został opracowany i zbudowany w ciągu dwóch lat pod kierunkiem Theodora Taylora i Freemana Dysona. Części  reaktora zostały dostarczone do Genewy samolotem. W ciągu tygodnia reaktor został zmontowany i uruchomiony przez odpowiednio przeszkolonych studentów. Reaktor TRIGA podczas trwania konferencji, prawie na oczach zwiedzających, służył celom praktycznym, wytwarzając sztuczne izotopy promieniotwórcze. Już podczas konferencji składano zamówienia na dostawę reaktora tego typu; sam egzemplarz wystawowy został zakupiony przez afrykański kraj – Kongo. Tak więc reaktor TRIGA po wystawie w Genewie został wysłany do Leopoldville. Obecnie reaktory badawcze TRIGA pracują na uniwersytetach, w laboratoriach badawczych różnych instytutów, w placówkach medycznych, szpitalach w 24 krajach świata. Firma General Atomics wyprodukowała ich dotychczas 66 sztuk o mocy termicznej od kilku kilowatów do 16 MW. Warto także wspomnieć o olbrzymim zainteresowaniu reaktorem TRIGA, który demonstrowano w 1959 r. podczas światowych targów rolnictwa w Delhi – prawie 3 mln ludzi zwiedziło ten reaktor podczas jego normalnej pracy.

Elektrownia jądrowa w Shippingport

    Trzecia konferencja nt. „Pokojowego wykorzystania energii atomowej” miała miejsce w sierpniu 1964 r. Był to okres charakteryzujący się szczególnym optymizmem dla praktycznych zastosowań energii atomu. W latach 60. ub. wieku panowało nawet przekonanie, iż wszystko, co jest związane z energią atomu (a więc reaktory jądrowe, akceleratory, urządzenia do wytwarzania reakcji syntezy i in.), będzie symbolem historii tamtych lat, tak jak np. egipskie piramidy czy rzymskie koloseum było symbolem ówczesnych starożytnych czasów.
    Na III konferencji przedstawiono m.in. propozycje dotyczące problemu rozwiązania szerokiego dostępu ludzkości do wody pitnej – amerykański program „Woda dla pokoju”. Otóż zgodnie z szacunkami ONZ ponad jeden miliard ludności na świecie nie ma dostępu do wody pitnej (prawie co szósty człowiek na Ziemi). Rozwiązaniem tego problemu, wg Philipa Hammonda oraz Alvina Weinberga z Oak Ridge National Laboratory, miały być olbrzymie przybrzeżne instalacje składające się z elektrowni jądrowej oraz urządzeń do odsalania wody morskiej, określane mianem Nuplex. Weinberg, ówczesny dyrektor Oak Ridge, mawiał: „energia jądrowa uczyni pustynie kwitnącymi”. Nuplex był pomyślany jako kompleks przemysłowo-rolniczy obejmujący wytwarzanie energii elektrycznej oraz ciepła, odsalanie wody, nawadnianie pól, produkcję nawozów, tlenu i in., zasilany oczywiście energią jądrową. Projekt Nuplex uzyskał aprobatę prezydentów Stanów Zjednoczonych: Johna Kennedy`ego oraz Lyndona Johnsona, jak również był popierany przez Międzynarodową Agencję Energii Atomowej. Projektem Nuplex żywo interesowały się media, jak również osobiście uczestniczący w konferencji prezydent Johnson oraz pierwszy sekretarz Związku Radzieckiego Nikita Chruszczow. Wiele państw planowało wykorzystać to rozwiązanie m.in.: Izrael, Indie, Pakistan, Puerto Rico, Meksyk, Związek Radziecki, a także suchy południowy stan Kalifornia w Stanach Zjednoczonych.

Artystyczna wizja Nuplexu

    Warto też wspomnieć, iż oprócz ziemskich Nuplexów były rozważane nawet Nuplexy na Księżycu. Na Księżycu wielkie ilości tlenu i wody są zawarte w skałach. Dzięki ciepłu i elektryczności pozyskanych z energii jądrowej można odseparować te cenne materiały, by były do użycia przez człowieka. Początkowo baza na Księżycu byłaby utrzymywana dzięki zapasom przywiezionym z Ziemi. W miarę jak księżycowy Nuplex stawałby się samowystarczalny, otworzyłaby się możliwość m.in. eksportu na Ziemię wielu cennych minerałów z Księżyca.
    Niestety, pod koniec lat 60. wraz z nasileniem się zimnej wojny, spadkiem zaufania społeczeństw do energii jądrowej, znacznym wzrostem kosztów budowy elektrowni jądrowych projekt Nuplex szybko został zaniechany, nie doczekawszy się realizacji ani jednego tego typu obiektu. „Rozwiązywanie dzisiejszych problemów z jutrzejszą technologią jest dość ryzykowne” – tłumaczył się Weinberg.

 Milowy krok
    Istotnym krokiem milowym dla energetyki jądrowej była data 16 grudnia 1964 r., kiedy to AEC wydała zgodę dwóm prywatnym firmom, tj. Jersey Central Power i Light Company na budowę elektrowni jądrowej Oyster Creek o mocy 650 MWe w pobliżu Toms River (New Jersey). Była to pierwsza cywilna elektrownia jądrowa zbudowana na zasadzie współzawodnictwa z energetyką konwencjonalną, całkowicie bez pomocy ze strony państwa.

Pomnik upamiętniający ofiary zbombardowanej Hiroszimy.

 Literatura
1. G. Jezierski, „Energia jądrowa wczoraj i dziś”, WNT, Warszawa 2005.
2. http://www.world-nuclear.org

 

 

 

 

 

 

 

Przypisy
1 Plowshare – program związany z praktycznym wykorzystaniem konstruktywnych podziemnych wybuchów jądrowych (budowa kanałów, poszukiwania i wydobywanie ropy naftowej i in.).
2 Nuplex (Nuclear Energy Complex) – program dotyczący budowy kompleksów przemysłowo-rolniczych w oparciu o energię jądrową.
3 Nie należy mylić z obecnie stosowanym pojęciem zegar atomowy. Zegar atomowy to rodzaj zegara, który używa atomowego standardu częstotliwości (emisji światła związanej z przejściami między poziomami energetycznymi danego atomu) jako licznika. Obecnie definicja sekundy wg układu SI oparta jest na drganiach atomu cezu (Cs-133) jako wzorca czasu (9 192 631 770 drgań przy przejściu z podpoziomu f = 3 na f = 4). Światło emitowane przez cez jest bardzo jednorodne i stabilne. Pierwszy zegar atomowy, bazujący na Cs-133, zbudował Louis Essen w 1955 r. w National Physical Laboratory w Wielkiej Brytanii, chociaż już w 1945 r. Isidor Rabi zaproponował użycie drgań atomu jako oscylatora dla zegara. Dokładność takiego zegara wynosi obecnie 2 do 3 na 1014, czyli jedna sekunda na 1400 000 lat, są one jednak bardzo drogie.

 

Autor: Grzegorz Jezierski, Politechnika Opolska

Artykuł został opublikowany w magazynie "ECiZ" nr 12/2010, 1/2011