GRAFIT W TECHNICE JĄDROWEJ

Dorota Darowny-Motyl,

menedżer eksportu w firmie Sinograf SA

 

Współczesny świat nie działa bez energii i to w ilości obecnie trudnej do wyobrażenia. Napędzamy i „karmimy” urządzenia począwszy od tych najmniejszych w mikroskali, a kończąc na ogromnych fabrykach i sieciach. Bez stałych źródeł i dostępu do energii elektrycznej popadniemy w chaos i totalną reorganizację. Stąd ciągła potrzeba poszukiwania nowych, wydajnych i bezpiecznych rozwiązań. Ponad 70 lat temu dostrzeżono taką szansę w energetyce jądrowej, a grafit stał się nieodzownym i kluczowym elementem w jej rozwoju.

Grafit o wysokiej czystości i izotropowym charakterze jest jednym z najlepszych materiałów do zastosowań z rozszczepieniem jądrowym. Dzieje się tak ze względu na jego ponadprzeciętną wytrzymałość mechaniczną, stabilność chemiczną, wysoką obrabialność i niewielką wagę. Jednakże to wysoka wydajność moderowania oraz bardzo niski poziom pochłaniania neutronów sprawił, iż znalazł on w reaktorze zastosowanie jako moderator i reflektor. Ten pierwszy gwarantuje ciągłość reakcji jądrowej, natomiast drugi zwiększa jej efektywność. Podczas rozpadu jądra atomowego takiego pierwiastka jak Uran 235 uwolnione zostają duże ilości tzw. wolnych neutronów, poruszających się z ogromną prędkością i „bombardujących” kolejne jądra atomów. Powodują tym samym dalsze rozszczepienia i uwalnianie kolejnych neutronów. Taka niekontrolowana reakcja narasta lawino i samoistnie się napędza, prowadząc w efekcie do wytworzenia ogromnej ilości energii promieniotwórczej. Aby zachować stałość tej reakcji na zrównoważonym poziomie, konieczne jest wprowadzenie moderatora, czyli „spowalniacza” neutronów. Jest to medium o niskiej masie atomowej, które wyhamowuje neutrony poprzez zderzanie się z nimi i pochłanianie ich energii kinetycznej, przekształcając je w tzw. neutrony termiczne. Spowolnienie to daje możliwość moderowania dynamiki całego procesu i jest jednym z elementów utrzymywania go w równowadze. Od końca lat trzydziestych wiadomo, iż dwoma najbardziej obiecującymi moderatorami są ciężka woda i właśnie grafit.

Jaka jest zatem rola reflektora?

Reakcja rozszczepienia wywołana przez neutrony jest w istocie dość chaotyczna ze względu na nieprzewidywalną trajektorię ruchu tych elementów. Zdarza się zatem, iż część neutronów dostanie się poza reaktor i nie będzie brała udziału w dalszym rozszczepianiu, a tym samym obniży jego efektywność. Aby więc tego uniknąć, otacza się rdzeń reaktora materiałem, który neutronów nie tylko nie pochłania, ale odbijając je, kieruje z powrotem do rdzenia, gdzie biorą udział w dalszej reakcji. Dlatego też materiał otaczający rdzeń nosi nazwę reflektora neutronów, a grafit w tej roli sprawdza się znakomicie. Rys. 1 pokazuje schemat budowy japońskiego reaktora jądrowego wysokotemperaturowego chłodzonego gazem oraz zdjęcie wymiennych bloków reflektora wykonanych z grafitu izotropowego o wysokiej gęstości.

Jak właściwie powstaje grafit syntetyczny?

Wyjściowym surowcem, poddanym w pierwszym etapie mieleniu i przesiewaniu, może być: koks naftowy, koks pakowy, sadza, grafit naturalny lub złom grafitu. Powstały w kruszarkach i młynach pył łączony jest ze spoiwem (np. pak naftowy) w celu wytworzenia pasty. Pastę tę, w zależności od sposobu dalszej produkcji, poddaje się wyciskaniu (np. pręty), formowaniu wibracyjnemu (np. płyty i bloki) bądź procesowi prasowania na zimno – CIP dla uzyskania grafitu o wysokim stopniu izotropii. Uzyskane formy poddaje się następnie obróbce cieplnej w piecu w temp. ok.1200°C tzw. karbonizacji. Pierwsze wyprażenie powoduje zazwyczaj rozkład składników lotnych i powstawanie porów, dlatego stosuje się ponowną impregnację pakiem i ponowne wypalenie w celu zminimalizowania porowatości. Dla uzyskania grafitów o wyższej gęstości proces ten może być powtarzany kilkakrotnie. Ostatnim etapem produkcji jest grafityzacja, a więc obróbka cieplna w bardzo wysokiej temperaturze sięgającej 3000°C. Powoduje ona krystalizację bezpostaciowego węgla i przekształcenie go w krystaliczny grafit złożony z uporządkowanych, równoległe ułożonych płaszczyzn. Końcowy produkt właściwie całkowicie pozbawiony jest zanieczyszczeń i części lotnych i zyskuje niemal stuprocentową czystość. Grafit klasy reaktorowej musi być całkowicie wolny od wszelkich materiałów pochłaniających neutrony, zwłaszcza boru. Stężenie boru w termicznie oczyszczonym graficie jest niższe niż 0,4 ppm, a w chemicznie oczyszczonym graficie jądrowym poniżej 0,06 ppm.

Aby prześledzić historię zastosowania grafitu w energetyce jądrowej musimy przenieść się do USA do roku 1940, kiedy to firma National Carbon Company, po wielokrotnych próbach i eksperymentach, uzyskała pierwszy na świecie „prawdziwy grafit klasy jądrowej” oznaczony nazwą AGOT. Wykorzystano go dwa lata później (1942) w Chicago w USA do budowy stosu o nazwie „Chicago Pile-1”– w skrócie CP-1, który dziś uważany jest za pierwszy w historii reaktor z samopodtrzymującą się jądrową reakcją łańcuchową (rys. 2). Zespołem badaczy i konstruktorów kierował laureat nagrody Nobla, włoski fizyk Enrico Fermi, a stos zbudowano na nieczynnym korcie tenisowym, pod trybunami stadionu uniwersyteckiego Stagg Field w Chicago. Zawierał 57 warstw złożonych z 386 ton grafitu w postaci kostek o wymiarach 10,8 x 10,8 x 42 cm, 6-ciu ton metalicznego uranu, a także z około 40 ton tlenku uranu. Został złożony w kształcie zbliżonym do kulistego z najczystszym grafitem w środku.

Warstwy składające się wyłącznie z grafitu układano naprzemiennie z tymi zawierającymi uran, co w efekcie powodowało, iż uran „zamknięty” był w graficie. Całą konstrukcję otoczono gumową tkaniną balonową tak, aby powietrze w środku pochłaniające elektrony mogło zostać w całości zastąpione dwutlenkiem węgla. W przeciwieństwie do późniejszych reaktorów stos nie posiadał żadnego systemu ochrony przed promieniowaniem ani układu chłodzenia. Mimo iż kontrola reakcji, po jej zainicjowaniu była obarczona znaczną niepewnością, 2 grudnia 1942 r. wytworzono w CP-1 pierwszą na świecie łańcuchową reakcję jądrową. Pełna kontrola okazała się możliwa, gdyż CP-1 pracował przy bardzo niskiej mocy (0,5 W), a reakcję łańcuchową regulowano za pomocą pasków kadmu, które wprowadzono do reaktora w celu absorpcji neutronów.

Sukces pierwszej próby dał zielone światło do dalszych prac. Stos CP-1 zdemontowano i odbudowano w nieco innym kształcie i rozmiarach (sześcian o wysokości około 7,6 m z podstawą o powierzchni około 9,5 m) w Argonne National Laboratory w USA. Tym razem otoczono go biologiczną tarczą z betonu i ołowiu, lecz nadal nie zastosowano żadnego systemu chłodzenia. Stos został oznaczony jako CP-2 i osiągnął moc 100 kW.

Kolejnym krokiem stała się budowa pierwszych reaktorów z systemem chłodzenia powietrzem i wodą. I tak, w 1943 roku, powstały m.in. reaktory X-10 w Oak Ridge i Hanford. Należy wspomnieć, iż całość dotychczasowych działań objęta była specjalnym projektem rządu amerykańskiego o nazwie Manhattan, a prowadzić miała do skonstruowania pierwszej na świecie bomby jądrowej. Są to czasy II wojny światowej i, o ile pierwsze stosy miały potwierdzić jedynie wykonalność reaktorów jądrowych (pracowały na niskich mocach, a wytworzona przez nie energia nie była wykorzystywana w celach komercyjnych), o tyle późniejsze reaktory X-10 zostały zaprojektowane do pracy ciągłej o wysokiej mocy (3,5 MW) i specjalnych celów. Miały wyprodukować wystarczającą ilość plutonu do budowy bomby i, jak pokazała historia, cel osiągnięto. Reaktory wyposażone były w systemy chłodzenia powietrzem, wykorzystywały grafit jądrowy jako moderator neutronów i czysty, naturalny uran w postaci metalu na paliwo. X-10 działał jako zakład produkcyjny plutonu do stycznia 1945 r., po czym został przekazany wyłącznie do działalności badawczej.

W tym czasie prototypowe, badawcze reaktory jądrowe powstawały również w Wielkiej Brytanii (m.in. GLEEP i BEPO w Harwell), Francji (G1) oraz Rosji.

Prace nad dotychczasowymi projektami podyktowane były, oprócz aspektów naukowych, wyłącznie względami militarnymi. Dotyczyły skonstruowania skutecznej i potężnej broni i napędzały wyścig między największymi ówczesnymi mocarstwami świata: USA i Związkiem Radzieckim. Energia jądrowa kojarzona była z destrukcją i strachem. Swoistą odpowiedzią na tę eskalację stały się słowa amerykańskiego prezydenta Dwighta Eisenhowera, który 8 grudnia1953 r. podczas przemówienia na Zgromadzeniu Ogólnym ONZ zainicjował program „Atomy dla Pokoju” udostępniając tym samym całą wiedzę o atomie na potrzeby cywilne, a więc produkcję energii i wsparcia tych części świata, w których brak energii hamuje rozwój.

Od tamtego czasu powstały III generacje reaktorów jądrowych różnej mocy i konstrukcji o wyłącznie komercyjnym działaniu, tworzone przez człowieka i dla jego dobra. Budowa elektrowni jądrowych osiągnęła swoje maksimum około roku 1980, dotyczyła reaktorów drugiej generacji, a powstawały one w krajach rozwiniętych, takich jak USA, UE, Japonia i Korea Południowa. Te z użyciem grafitu obejmują dwie zasadnicze grupy: grafitowo-gazowe (typ: AGR, Magnox, HTR) oraz wodno-grafitowe (typ: RBMK, GLWR). Rozróżnia je, jak sugerują nazwy, rodzaj stosowanego chłodziwa w postaci m.in. CO2 i helu oraz lekkiej wody. Czynne do dziś reaktory to systemy drugiej lub trzeciej generacji, podczas gdy większość reaktorów pierwszej generacji już wycofano z użytku. Ostatnia generacja (IV) jest nadal w fazie projektów i prac badawczo-rozwojowych i prawdopodobnie nie będzie dostępna do użytku komercyjnego przed 2030 rokiem. Jeden z projektów obejmuje wysokotemperaturowy reaktor przyszłości VHTR (Very-High-Temperature Reactor), który również moderowany będzie przy pomocy grafitu.

Historia energetyki

Historia energetyki jądrowej jest niezwykle ciekawa i elektryzująca, ale ma też swoje ciemne strony. Bomby zrzucone na Hiroszimę i Nagasaki oraz testy bomb atmosferycznych przeprowadzone w latach 50. i 60. (te ostatnie obarczone wieloma błędami, które były wynikiem braku doświadczenia, nieznajomości wielu zagadnień oraz m.in. lekceważenia procedur bezpieczeństwa), pożar grafitu w elektrowni Windscale (reaktor Sellafield) w 1957 r., wypadek Three Mile Island (okolice Waszyngtonu) w 1977 r., katastrofa w Czarnobylu z 1986 r. oraz wypadek w elektrowni Fukushima wywołany przez tsunami w marcu 2011 roku – każde z tych wydarzeń było bolesną lekcją dla cywilnego przemysłu nuklearnego. Mimo wszystko jednak energia jądrowa to przyszłość, dlatego stale się ją rozwija i udoskonala. Projekty reaktorów wielokrotnie zmieniały się, tak jak i materiały używane do ich budowy. Pamiętajmy jednak, iż grafit w swej doskonałej i czystej postaci był w tej historii od samego początku. Pozwalał na spełnienie niezwykłych wizji genialnych naukowców i pomógł wkroczyć ludzkości w nową, niezwykłą erę atomu.

Aktualnie na świecie pracuje 441 reaktorów jądrowych w 30 krajach, z mocą zainstalowaną 376 000 MWe. Dostarczają około 14% wytworzonej ogółem energii elektrycznej.