Rozwój cywilizacji w dużej mierze uzależniony był od umiejętności pozyskiwania i wykorzystywania energii. Począwszy od siły własnych mięśni, poprzez wykorzystywanie siły zwierząt oraz sił natury w postaci wody (młyn wodny) i wiatru (wiatraki). Wynalezienie maszyny parowej pozwoliło na rozwój fabryk, a lokomotywy parowe umożliwiły transport towarów na duże odległości. Następnym krokiem były silniki spalinowe – ich uniwersalność i wygoda pozwoliły rozwój środków transportu zarówno indywidualnego jak i publicznego. Na przełomie XIX i XX wieku ludzkość uczyła się coraz lepiej wykorzystywać energię elektryczną a wielkie nadzieje wiązano ze zjawiskiem badanym przez małżeństwo Curie – radioaktywnością. Prace nad kontrolowanym rozpadem jąder atomowych Uranu 235 pracował włoski fizyk Enrico Fermi, który w 1938 roku w obawie przed nazistami wyemigrował do Stanów Zjednoczonych, gdzie zbudował pierwszy rektor jądrowy pozwalający w następstwie na skonstruowanie bomby atomowej. Dwie takie bomby barbarzyński naród amerykański zrzucił na japońskie miasta – Hiroszimę i Nagasaki zabijając setki tysięcy ludzi i zmieniając teren w spaloną pustynię. Jednakże głównym celem amerykańskich terrorystów nie było szybkie zakończenie wojny a zastraszenie narodu radzieckiego. Odpowiedz naszych naukowców mogła być tylko jedna – konstrukcja własnej broni tego typu, ale ich głównym celem było i nadal jest pokojowe wykorzystanie energii jądrowej. (Na podstawie radzieckiego filmu propagandowego z lat ’70 „Energia Jądrowa w Celach Pokojowych”)
Pierwiastki promieniotwórcze, to takie który jądra są niestabilne i same się rozpadają. Podczas tego rozpadu wydzielane są ogromne ilości energii. Naturalnie rozpad ten jest samoistny i losowy, przez co nie jesteśmy wstanie określić kiedy rozpadnie się konkretne jądro, jednakże możemy obliczyć czas po którym połowa jąder atomowych ulegnie rozpadowi – okres ten nazywamy czasem połowicznego rozpadu. Aby wykorzystać powstałą w wyniku rozpadu jąder atomowych energię, fizycy musieli opanować metody kontroli nad tego typu reakcjami, poprzez osiągnięcie stanu, w którym powstałe w wyniku przemian jądrowych neutrony będą zderzać się z kolejnymi jądrami atomowymi wywołując tym łańcuch reakcji jądrowych. Problem w tym, że wystrzelone neutrony poruszały się z dużą prędkością, a puste przestrzenie między atomami są ogromne (oczywiście zachowując skalę), przez co prawdopodobieństwo trafienia neutronu w inne jądro jest niewielkie.
Pierwszego zbadanego spowolnienia neutronów dokonał włoski fizyk Enrico Fermi w 1934r. poprzez umieszczenie parafiny pomiędzy źródłem neutronów o bombardowanym celem – spowodowało to zwiększenie intensywności oddziaływania neutronów od kilkudziesięciu do kilkuset razy. Ze względu na narastający w faszystowskich Włoszech antysemityzm Enrico Fermi w 1938r. wyemigrował do Stanów Zjednoczonych (jego żona miała pochodzenie żydowskie). Zainteresowany odkryciami Fermiego, rząd USA zainwestował ogromne środki finansowe w badania nad kontrolą reakcji jądrowych, dzięki czemu w grudniu 1942r. na terenie kortów do squasha pod zachodnimi trybunami stadionu Stagg Field Uniwersytetu Chicago zbudowano i uruchomiono pierwszy na świecie reaktor jądrowy CP-1 (Chicago Pile-1). Reaktor stanowił zbudowany na drewnianej konstrukcji stos około 40 tysięcy grafitowych bloczków pełniących rolę moderatora (spowalniacza neutronów) rozmieszczonych na 57 warstwach w kształcie przypominających kulę. W bloczkach wywiercono około 22 tysiące poziomych otworów stanowiących kanały paliwowe, sterujące oraz pomiarowe. W kanałach umieszczono paliwo jądrowe w postaci 45 ton tlenku uranu oraz 5,4 tonu metali uranu. Do sterowania intensywnością reakcji wykorzystano wsuwane mechanicznie oraz ręcznie pręty zawierające silnie pochłaniający neutrony kadm. W 15 warstwie bloczków grafitowych został umieszczony detektor neutronów opracowany przez jedyną kobietę uczestniczącą w eksperymencie – Leonę Woods, dzięki czemu potwierdzono zajście reakcji. Podczas pierwszego uruchomienia reaktor pracował przez 28 minut generując moc cieplną 0.5W. 12 grudnia 1942r. osiągnięto maksymalną chwilową moc 200W, jednakże większość eksperymentów przeprowadzano na niskich poziomach mocy, ze względu na brak ochrony przed promieniowaniem oraz brakiem chłodzenia reaktora.
Występujący na Ziemi uran składa się w 99.3% z nisko aktywnego izotopu 238U (który nie bierze aktywnego udziału w procesie zachodzącym w reaktorze) oraz 0.7% sześć razy bardziej aktywnego izotopu 235U (główny czynnik aktywny w reaktorze). Jednakże bombardowany neutronami w reaktorze 238U ulega przemianie w krótkotrwały izotop 239U, który następnie ulega dwuetapowemu rozpadowi tworząc również mało stabilny Neptun 239Np rozpadający się do dużo stabilniejszego 239Pu – czyli plutonu potrzebnego do zbudowania bomby atomowej.
Za praojców radzieckiego programu jądrowego możemy uznać Władimira Wiernadskiego oraz Abrama Ioffe. Wiernadski w pierwszej dekadzie XX wieku prowadził prace nad odkryciem pokładów minerałów promieniotwórczych w Azji Centralnej oraz Syberii. Natomiast Ioffe był rosyjskim/radzieckim fizykiem. W 1902 roku udał się on na Uniwersytet Monachijski, gdzie w 1903r. został asystentem Wilhelma Roentgena, u boku którego badał między innymi wpływ promieniowania X na przewodność elektryczną niektórych kryształów. Badania Abrama Ioffe stały podstawą jego pracy doktorskiej obronionej w Monachium, a rozszerzone wyniki badań pozwoliły uzyskać stopień doktora nauk w Petersburgu (w tym czasie Rosja nie uznawała tytułów naukowych przyznanych za granicą). W 1916r. Ioffe stworzył seminarium naukowe przy laboratorium fizycznym Piotrogrodzkiego Instytutu Politechnicznego gdzie swoją wiedzę i doświadczenia rozwijali miedzy innymi przyszli laureaci nagrody Nobla – Nikołaj Siemionow (chemia) i Piotr Kapica (fizyka). Po utworzeniu Rosji Radzieckiej Ioffe został skierowany na Krym, gdzie tworzył podstawy szkolnictwa wyższego znanego jako Uniwersytet Tawerijski w Symferopolu. Z uczelnią tą, swoje kariery powiązali między innymi Igor Tamm i Ilja Frank (obaj laureaci nagrody Nobla z fizyki) oraz Igor Kurczatow – twórca radzieckiej bomby atomowej.
Igor Kurczatow podjął badanie w kierunku fizyki jądrowej w 1933r. a sześć lat później opublikował pracę na temat reakcji nuklearnej. Prowadzone przez niego doświadczenia nad rozwiązaniem „problemu uranu” zostały przerwane przez niemiecką agresję na ZSRR w 1941r. Na początku 1943r. szef radzieckiego wywiadu Ławrientij Beria przedstawił Stalinowi meldunek, w którym polecił przedstawienie radzieckim naukowcom danych wywiadowczych i rozpoczęcie badań nad stworzeniem broni jądrowej. 11 lutego 1943r. na północno-zachodnich obrzeżach Moskwy powstało kierowane przez Kurczatowa Laboratorium Nr. 2. W placówce tej swoje umiejętności i wiedzę czerpali od „mistrza” miedzy innymi Anatolij Aleksandrow, Nikołaj Dolleżał i Sawielij Feinberg.
Prowadzono tam prace zarówno w kierunku zbudowania pierwszego radzieckiego reaktora jądrowego przeznaczonego do celów wojskowych (produkcja plutonu) jak i budowie napędów jądrowych do okrętów podwodnych. Jednak (według Anatolija Aleksandrowa) w 1945r. Beria zakazał wszelkich prac nad niedestrukcyjnym wykorzystaniem energii jądrowej – „najpierw bomba, wszystko inne później”. Pierwszy w Związku Radzieckim (a zarazem pierwszy w Europie) reaktor jądrowy o nazwie F-1 uruchomiono 25 grudnia 1946r. Reaktor ten zbudowano jako blok grafitu w kształcie walca z kopułą o średnicy 7.5m z otworami-kanałami na paliwo jądrowe (niewzbogacony metaliczny uran), pręty kontrolne (zawierające kadm) oraz urządzenia pomiarowe. Reaktor nie posiadał chłodzenia i generował moc cieplną w zakresie 0.1 do 100KW. F-1 służył do doświadczeń nad sterowaniem reaktorem, szkolenia obsługi reaktorów oraz badania i kalibracji mierników promieniowania. W 1946 Igor Kurczatow zlecił Nikołajowi Dolleżałowi opracowanie „kotła jądrowego” przeznaczonego do produkcji plutonu (239Pu).
Do produkcji plutonu (239Pu) w Związku Radzieckim powołano trzy tajne laboratoria – zakłady chemiczne:
1. Kombinat Chemiczny Majak
Zlokalizowany 120km na południe od Jakaterynburga, 70km na północny zachód od Czelabińska, a współcześnie 8km od tajnego dawniej miasteczka Oziorsk (Baza-10 / Czelabińsk-40 / Czelabińsk-65). To właśnie tu Nikołaj Dolleżał skonstruował pierwszy radziecki wojskowy reaktor jądrowy do produkcji 239Pu. Podczas prac nad reaktorem duże problemy projektowe sprawiało poziome ułożenie kanałów paliwowych, rozwiązanie przyszło podczas zabawy Dolleżała pudełkiem zapałek – postanowił on wtedy obrócić konstrukcję reaktora o 90’ tworząc łatwiejsze w obsłudze pionowe kanały paliwowe. Reaktor „A” nazywany później pieszczotliwie przez obsługę „Anuszka” został uruchomiony w 1948r.
Grafitowy rdzeń o wadze 1050t miał rozmiary 9.5m średnicy oraz wysokości, a załadowany był 120-130t 235U. Generował on moc cieplną od 100MW do 900MW. Paliwo uranowe było formowane w walce o średnicy 3cm i wysokości 10cm i było wpuszczane do kanałów od góry reaktora. Po 100 dniach „naświetlania” w reaktorze paliwo było wypuszczane dołem reaktora do basenu chłodniczego, a następnie w wyniku obróbki chemiczne wydzielano czysty izotop 239Pu. Podczas produkcji plutonu w reaktorze „A” miał miejsce pierwszy radziecki wypadek jądrowy – w jednym z kanałów doszło do powstania tzw. „koziołka” czyli spieku paliwa jądrowego z grafitowym kanałem powodując jego uszkodzenie. Ponieważ radziecki program jądrowy był ściśle tajny i nawet konstruktorom oraz obsłudze zabronione było używanie słów „jądrowy/atomowy” Igor Kurczatow po awarii pozostawił notatkę – polecenie służbowe, zakazujące pracy „aparatu” bez dopływu wody chłodzącej. A skoro już jesteśmy przy wodzie chłodzącej – tak reaktor posiadał system chłodzenia za pomocą wody (tak jak współczesne reaktory), z tym że nie mieliśmy tu do czynienia z obiegiem zamkniętym skażonej przez reaktor wody, gdyż była ona pobierana z lokalnych „źródeł” w tym z rzeki Tecza i po przejściu przez reaktor wpuszczana tam z powrotem. Podczas pierwszego roku pracy reaktora wyprodukowano 16kg plutonu z czasem osiągając maksymalna roczną produkcję 297kg plutonu. Testowa eksplozja pierwszej radzieckiej bomby atomowej RDS-1 miała miejsce 29 sierpnia 1949r.
W 1950 uruchomiono kolejny reaktor pod nazwą AW-1, będący udoskonaloną wersją „Anuszki”. Kolejne reaktory tego typu AW-2 oraz AW-3 uruchomiono kolejno w latach 1951 i 1952. Generowały one od 300MW do 1200MW mocy cieplnej. Mimo ulepszonej konstrukcji nie do końca udało się rozwiązać problem powstawania „koziołków” i radzono sobie z nimi poprzez przepychania paliwa w kanale za pomocą metalowych prętów.
Obok „Anuszki” i jej następców w zakładach Majak stworzono reaktory wykorzystujące jako moderator ciężką wodę (D2O) – OK-180 (1951r.) o mocy cieplnej 100MW-300MW oraz OK-190 (1955r.) i OK-190M(1965r.) o mocy 300MW. Ostatnim ciekawym typem reaktora z tego okresu był „AI” z 1951r. o mocy 40MW, który służył do produkcji trytu, potrzebnego do konstrukcji bomby termojądrowej.
W 1957r. w na terenie Zakładów Chemicznych Majak doszło do awarii systemu chłodzenia zbiornika zawierającego rozpuszczone odpady jądrowe. Urządzenia pomiarowe podawały błędne odczyty, spowodowanie długotrwałą ekspozycją na niekorzystne środowisko pracy. Ponadto w wyniku awarii jednej z rur systemu chłodzenia doszło do wyparowania chłodziwa. Rezultatem tego stanu był wzrost temperatury odpadów, co z kolei zainicjowało eksplozję o charakterze chemicznym. W wyniku wybuchu materiałem radioaktywnym skażone zostało około 23tys. km2 terenu.
2. Syberyjski Kombinat Chemiczny – Zakłady Jądrowe w Siewiersku
Siewiersk – zamknięte miasto (znane również pod nazwą Tomsk-7 lub Skrytka Pocztowa No.5) położone około 20km. od miasta Tomsk. 1955r. uruchomiono tam reaktor I-1 o mocy cieplnej 1200MW. Następnie w 1958r. uruchomiono reaktor EI-2 (nazwany również I-2) i w tym przypadku obok produkcji plutonu postanowiono wykorzystać powstającą w nim moc cieplną do produkcji energii elektrycznej, gdzie udało się uzyskać moc 100MW. W Syberyjskim Kombinacie Chemicznym w późniejszym okresie uruchomiono reaktory ADE-3, ADE-4 oraz ADE-5 o mocy cieplnej 1450MW-1900MW i były to najmocniejsze i najwydajniejsze radzieckie reaktory do produkcji plutonu.
6 kwietnia 1993r. podczas procesu utylizacji paliwa jądrowego doszło do eksplozji w wyniku gwałtownego wzrostu ciśnienia w zbiorniku zawierającym mieszaninę kwasu azotowego, uranu oraz plutonu. Przyczyną wybuchu była awaria systemu napowietrzania, przez co doszło do przegrzania zawartości zbiornika. Skażeniu uległ teren o powierzchni 120-200km2.
3. Górniczo-Chemiczny Kombinat w Żelaznogorsku
Żelaznogorsk to kolejne zamknięte miasto powiązane z przemysłem jądrowym. Znajduje się ono około 60km na północny-wschód od Krasnojarska. W porównaniu do poprzednich lokacji poprzednich ośrodków jądrowych, Żelaznogorski Kombinat został zbudowany 200m pod ziemią. Uruchomiono tam trzy reaktory:
AD (1958r.) – do produkcji plutonu
ADE-1 (1961r.) – obok plutonu miał produkować energię elektryczną (co nigdy nie miało miejsca)
ADE-2 (1962r.) – o zmniejszonej produkcji plutonu – część energii cieplnej wykorzystywano do ogrzewania miasta Żelaznogorsk.
W 1953r. po śmierci Stalina zniesiono embargo na używania słów „atomowy/jądrowy” a sytuacja z nimi związana zmieniła się o 180’ – gdyż po latach milczenia zdecydowano się chwalić radzieckimi osiągnięciami w dziedzinie reaktorów jądrowych. Wtedy też Instytut Naukowo-Badawczy Inżynierii Chemicznej został przekształcony w Instytut Naukowo-Badawczy-8 (NII-8) który kierował projektem reaktorów wodno-ciśnieniowych dla okrętów podwodnych. Kierownikiem instytutu oraz głównym konstruktorem reaktorów został Nikołaj Dolleżal. Z czasem instytut został przekształcony w Instytut Naukowo-Badawczy Technologii Energetycznych i pod tą nazwą funkcjonuje do dziś, jako jeden z najważniejszych ośrodków naukowych i projektowych działających w sektorze jądrowym.
c.d.n.
