Badania naukowe i produkcja radioizotopów - reaktory badawcze

Reaktory badawcze odegrały ważną rolę w rozwoju nauki i technologii jądrowej. Możemy śmiało powiedzieć, że reaktory badawcze to w zasadzie “fabryki neutronów”, które wykorzystujemy w wielu dziedzinach. Ich zastosowanie obejmuje: edukację i szkolenie, biologię, rolnictwo, medycynę, materiałoznawstwo, czy badania związane z bezpieczeństwem jądrowym. Reaktory badawcze mają mniejszą moc znamionową niż typowe reaktory energetyczne. Istnieje wiele wariantów projektowych reaktorów badawczych, na które wpływ ma ich zastosowanie. Warianty te mogą różnić się: projektem układu chłodzenia, typem moderatora i reflektora, paliwem czy poziomem mocy.

Reaktory badawcze spełniają rolę dużego źródła neutronów i promieniowania gamma i nie są przeznaczone do wytwarzania energii elektrycznej. Reaktory te służą przede wszystkim do badań fizycznych, radiochemicznych, biologicznych, materiałowych, a także do produkcji izotopów dla potrzeb medycyny i przemysłu.

Reaktory badawcze mają prostszą konstrukcję w porównaniu do reaktorów energetycznych i działają w niższych zakresach temperatur. Moc (moc cieplna) reaktorów badawczych nie przekracza zwykle 100 MW. Reaktory te potrzebują znacznie mniej paliwa w porównaniu do reaktorów energetycznych i znacznie mniej produktów rozszczepienia powstaje w miarę zużywania paliwa. Z drugiej strony ich paliwo wymaga bardziej wzbogaconego uranu, zwykle do 20% U-235, znanego jako uran niskowzbogacony, chociaż niektóre starsze reaktory nadal używają wysokowzbogaconego uranu (powyżej 20% U-235). Reaktory badawcze mają też często bardzo dużą gęstość mocy w rdzeniu, co wymaga specjalnych cech konstrukcyjnych.

Wodne reaktory badawcze zwykle mają konstrukcję z otwartym basenem i są chłodzone i moderowane lekką wodą. Taka konstrukcja nadaje się do napromieniowania materiałów tarczowych w rdzeniu oraz reflektorze. Istnieją też konstrukcje z zamkniętym zbiornikiem, stosowane w przypadkach, w których potrzebna jest większa moc. Reaktory te na ogół działają przy podwyższonym ciśnieniu i temperaturze, a zatem mają pewne podobieństwa do reaktorów energetycznych.

Zastosowanie reaktorów badawczych

Reaktory badawcze mają wiele zastosowań, te najważniejsze to:

Badania naukowe

Badania materiałowe

Radiografia neutronowa

Neutronowa analiza aktywacyjna

Edukacja i szkolenie (kadry dla energetyki jądrowej)

Wspieranie programów rozwoju reaktorów energetycznych

Produkcja radioizotopów na potrzeby medycyny, nauki, techniki, gospodarki, rolnictwa…

Testowanie i kwalifikacja paliwa jądrowego

Neutronowa analiza aktywacyjna

Neutronowa analiza aktywacyjna (NAA) jest techniką analityczną stosowaną do wykrywania znikomo małych ilości substancji, opartą na wywoływaniu sztucznej promieniotwórczości izotopów tej substancji. NNA jest używana w różnych zastosowaniach biomedycznych, geologicznych, archeologicznych, kryminalistycznych, historii sztuki, przemysłowych i środowiskowych. Technika ta polega na napromienieniu analizowanej próbki jednorodnym strumieniem neutronów. Niezbędny czas napromieniania zależy od czasu koniecznego do wytworzenia mierzalnej ilości promieniotwórczego izotopu poszukiwanego pierwiastka. Powstały radioizotop najczęściej nie jest wyodrębniany, lecz oznaczany metodami radiometrycznymi.

Produkcja radioizotopów

Potrzeba wykorzystania radioizotopów wzrasta od czasu ich odkrycia. Naturalne radioizotopy (Po, Ra) znane są od przełomu XIX i XX wieku, natomiast sztuczne radioizotopy odkryto niedługo po odkryciu neutronu w 1932 roku. Dwa najczęstsze sposoby wytwarzania radioizotopów to akceleratory cząstek i reaktory jądrowe. Akceleratory cząstek z natury wytwarzają niewielkie ilości radioizotopów w porównaniu z reaktorami jądrowymi.

Produkcja radioizotopów w reaktorach opiera się na wychwytywaniu neutronów w materiale tarczowym (reakcja aktywacji) lub ich wytwarzaniu w wyniku rozszczepienia materiału tarczowego poprzez bombardowanie neutronami termicznymi. Reaktory i akceleratory badawcze są również wykorzystywane do opracowywania nowych radioizotopów do diagnostyki i terapii w medycynie nuklearnej, badań nieniszczących i zastosowań przemysłowych radioznaczników, a także do badań radioznaczników w badaniach naukowych.

Radiofarmaceutyki to substancje zawierające radioizotop i mające zdolność pełnienia roli markera w medycznych procedurach diagnostycznych lub terapeutycznych. 80% wszystkich diagnostycznych procedur medycznych na całym świecie opiera się na dostępności radioizotopu molibdenu-99 (Mo-99) i jego produktu pochodnego, technetu-99m (Tc-99m), które obecnie są produkowane tylko w reaktorach badawczych.

Na świecie rośnie liczba zabiegów medycznych z wykorzystaniem izotopów promieniotwórczych, przy czym coraz większy nacisk kładzie się na terapię z wykorzystaniem radiofarmaceutyków w leczeniu nowotworów.

Popularne radioizotopy stosowane w medycynie nuklearnej produkowane w reaktorach badawczych:

• Mo-99 (molibden-99), który rozpada się do Tc-99m (technet-99), jest powszechnie stosowanym radionuklidem w procedurach obrazowania medycyny nuklearnej;
• I-131 (jod-131) jest powszechnie stosowany w leczeniu raka tarczycy, jako radiofarmaceutyk;
• P-32 (fosfor-32), stosowany jako środek terapeutyczny w leczeniu niektórych rodzajów raka, takich jak przewlekła białaczka szpikowa.

Radiografia neutronowa

Radiografia neutronowa to kolejne zastosowanie reaktorów badawczych. Jest mniej znana niż radiografia rentgenowska. Mechanizm oddziaływania promieniowania neutronowego z materią jest zdecydowanie inny niż promieniowania rentgenowskiego, stąd też inne cechy charakterystyczne materiału są odwzorowywane w obrazie radiologicznym. Radiografia neutronowa znajduje zastosowanie, kiedy występuje konieczność wykonania radiogramu materiału o małej liczbie atomowej (Z), znajdującego się w otoczeniu materiału o dużej liczbie atomowej. Stąd też radiografia neutronowa jest uznawana za komplementarną metodę w odniesieniu radiografii promieniowaniem rentgenowskim. Technika ta jest bardzo przydatna do wizualizacji kontrastów między różnymi pierwiastkami, a także np. do śledzenia dynamiki płynów zawierających wodór w czasie rzeczywistym. Radiografia neutronowa znalazła zastosowanie w przemyśle lotniczym i rakietowym, np. do badania elementów konstrukcyjnych samolotów i do badania zaworów pojazdów kosmicznych. Spośród innych zastosowań technicznych radiografii neutronowej należy wymienić wykrywanie chłodziw organicznych oraz osadów organicznych w rurociągach i zbiornikach metalowych.

Rys. Radiografia kamery analogowej: za pomocą neutronów (po lewej) za pomocą promieniowania rentgenowskiego (po prawej). Promieniowanie rentgenowskie jest skuteczniej pochłaniane przez cięższe materiały, takie jak metale, neutrony z kolei umożliwiają obrazowanie niektórych lekkich materiałów, takich jak substancje zawierające wodór. Na zdjęciu rentgenowskim metalowe części aparatu fotograficznego są wyraźnie widoczne, podczas gdy radiogram neutronowy pokazuje szczegóły plastikowych części; źródło: Paul Scherrer Institut

Modyfikacje materiałów

Promieniowanie wytwarzane w reaktorach (prędkie neutrony, promieniowanie gamma) ma silny „wpływ” na materiały, może zmieniać ich właściwości. Przykłady zastosowania neutronów reaktorowych:

• napromienianie neutronami prędkimi niektórych nadprzewodników wysokotemperaturowych, w wyniku którego obserwuje się znaczne zwiększenie prądów krytycznych;
• barwienie bezbarwnych minerałów topazu. Napromienianie takich minerałów neutronami prędkimi powoduje zmianę ich zabarwienia na niebieski;
• domieszkowanie krzemu poprzez oddziaływanie neutronów termicznych z jądrami jednego z izotopów krzemu Si-30. Powstały w wyniku reakcji stabilny izotop fosforu P-31 stanowi wprowadzoną domieszkę w strukturze kryształu krzemu. Proces ten zmierza do osiągnięcia takiej koncentracji izotopów fosforu w siatce krystalicznej, by uzyskana w efekcie oporność właściwa materiału mogła zdecydować o przydatności kryształu jako półprzewodnika typu „n”.

Reaktory badawcze w Polsce

Z inicjatywy prof. Andrzeja Sołtana 4 czerwca 1955 roku powołano Instytut Badań Jądrowych (obecnie Narodowe Centrum Badań Jądrowych), znajdujący się w Świerku, 30 km od centrum Warszawy. To tu uruchomiono dwa, jedyne w Polsce, reaktory badawcze - 31 maja 1958 roku reaktor EWA, a 18 grudnia 1974 roku reaktor MARIA. W Instytucie Badań Jądrowych zrealizowano także kilka mniejszych układów, tzw. reaktorów mocy zerowej, o których więcej w rozdziale →Zestawy krytyczne i podkrytyczne.

Reaktor EWA

Nazwa reaktora EWA to akronim od słów Eksperymentalny Wodny Atomowy. Po Pierwszej Konferencji Genewskiej (1955 rok) ZSRR zaoferował krajom sąsiednim sprzedaż swoich reaktorów badawczych. Taka umowa została podpisana z Polską, Bułgarią, Czechosłowacją, NRD, Rumunią i Węgrami. Na jej podstawie rozpoczęto prace nad budową pierwszego w historii reaktora jądrowego w Polsce. Radziecka konstrukcja zakładała uzyskanie mocy cieplnej 2 MW i gęstości strumienia neutronów termicznych 2·1013 neutronów/s⋅cm². 31 maja 1958 roku reaktor osiągnął stan krytyczny. W 1967 roku, po przebudowie, podniesiono moc do 8 MW, a ostatecznie moc reaktora ustalono na 10 MW. 24 lutego 1995 roku wyłączono reaktor z eksploatacji. Do 2002 roku usunięto paliwo jądrowe i substancje wysokoaktywne oraz zdemontowano konstrukcję. Dziś hala reaktora EWA znajduje się na terenie Zakładu Unieszkodliwiania Odpadów Promieniotwórczych sąsiadującym z NCBJ.

Polecamy archiwalny film edukacyjny przygotowany przez Wytwórnię Filmów Oświatowych o reaktorze EWA.

Rys. Reaktor badawczy EWA, źródło: © Narodowe Centrum Badań Jądrowych

Reaktor MARIA

Reaktor badawczy MARIA jest obecnie jedynym w Polsce działającym reaktorem jądrowym. Jego moc wynosi 30 MW. Budowę reaktora rozpoczęto w czerwcu 1970 r., a uruchomiony został w grudniu 1974 w ówczesnym Instytucie Badań Jądrowych (obecnie Narodowe Centrum Badań Jądrowych). Reaktor, zaprojektowany i zbudowany przez polskich specjalistów i techników, został skonstruowany jako reaktor wielozadaniowy o wysokim strumieniu neutronów – z zadaniem uzupełnienia możliwości badawczych eksploatowanego wówczas reaktora EWA.

MARIA jest reaktorem kanałowym i basenowym jednocześnie. Paliwo jest umieszczone w specjalnych rurowych kanałach paliwowych, zapewniających jego efektywne chłodzenie wodą pod ciśnieniem. Rdzeń reaktora MARIA ma konstrukcję modułową, dostosowywaną każdorazowo do programu produkcyjnego lub badawczego. Oprócz elementów paliwowych znajdują się w nim bloki moderatora berylowego, kanały z prętami pochłaniającymi oraz kanały izotopowe różnego typu do prowadzenia napromieniań materiałów tarczowych. W zewnętrznej części kosza znajdują się bloki reflektora grafitowego, urządzenia do napromieniania materiałów o dużej objętości. Betonowa konstrukcja basenu stanowi (wraz z wodą w zbiorniku) boczną osłonę biologiczną reaktora.

Reaktor MARIA poddawany jest ciągłym modyfikacjom mającym na celu bądź poprawę jego bezpieczeństwa, bądź związanych z programem jego wykorzystania. Najpoważniejsze zmiany dotyczą paliwa jądrowego. Pierwotnie w reaktorze MARIA eksploatowano paliwo o wzbogaceniu 80% w izotop U-235. W 2000 roku rozpoczęto wprowadzanie do eksploatacji paliwa o wzbogaceniu 36%, a we wrześniu 2012 – rozpoczęto testy paliwa poniżej 20% wzbogacenia. W roku 2014 zakończono proces konwersji reaktora na paliwo niskowzbogacone.

Charakterystyka reaktora MARIA:

• Reaktor basenowy;
• Elementy paliwowe złożone z koncentrycznych rur;
• Chłodzenie kanałowe wodą pod ciśnieniem;
• Elementy paliwowe umieszczone w matrycy berylowej;
• Moc maksymalna: 30 MWt;
• Gęstość strumienia neutronów: 2,5·10¹⁴ n/cm²s;
• Moderator: H₂O, beryl;
• Reflektor: grafit w osłonie aluminiowej.