Po co w Grenoble reaktor jądrowy, który nie produkuje prądu?

To samo zjawisko, dwa różne zadania

W reaktorze jądra uranu się rozszczepiają. Każde rozszczepienie uwalnia energię, głównie w postaci ciepła, oraz kilka swobodnych neutronów. Część z nich rozszczepia kolejne jądra i podtrzymuje reakcję łańcuchową.

Elektrowni zależy na cieple. Zamienia je w parę, para napędza turbiny, a turbiny wytwarzają prąd. ILL opisuje różnicę w swoich odpowiedziach na najczęstsze pytania: elektrownie komercyjne wykorzystują reakcje jądrowe do wytwarzania energii, a ILL używa reaktora do pozyskiwania neutronów do badań. Dlatego – jak dodaje – jego reaktor jest mały i zwarty.

Po co taki wysiłek dla neutronów? Bo to wyjątkowo przydatna sonda materii. Wnikają głęboko w materiały, widzą lekkie atomy, takie jak wodór, których promieniowanie rentgenowskie prawie nie zauważa, i zachowują się jak maleńkie magnesy. Porównanie z promieniowaniem rentgenowskim jest na stronie Dwa sposoby patrzenia na atomy.

Jak duży jest naprawdę?

Jak na standardy elektrowni reaktory badawcze są zwykle maleńkie. W artykule w swoim biuletynie MAEA zauważa, że większość reaktorów badawczych ma moc poniżej 1 megawata, podczas gdy duży blok energetyczny wytwarza około 3000 megawatów ciepła (około 1000 megawatów elektrycznych). Podaje też, że reaktory badawcze mają prostszą konstrukcję, zużywają dużo mniej paliwa, wytwarzają znacznie mniej odpadów i pracują w niższych temperaturach. Według tego samego artykułu na świecie działały 224 reaktory badawcze w 53 krajach.

Reaktor ILL leży pomiędzy tymi światami. Przy 58 megawatach jest dużo większy od typowego reaktora badawczego, ale duży reaktor energetyczny wytwarza mniej więcej pięćdziesiąt razy więcej ciepła. Rdzeń to jeden element paliwowy, w którym jest prawie 10 kilogramów wysoko wzbogaconego uranu. Ten jeden element to cały rdzeń.

Co dzieje się w środku

Neutrony uwolnione przy rozszczepieniu są bardzo szybkie: ILL podaje, że poruszają się z prędkością około 20 000 kilometrów na sekundę. Do eksperymentów trzeba je spowolnić, czyli zmoderować. W Grenoble robi to ciężka woda – woda, w której zwykły wodór zastąpiono deuterem. Ciężka woda jednocześnie chłodzi rdzeń i spowalnia neutrony, tak żeby mogły wywołać kolejne rozszczepienia i trafić do instrumentów.

Zbiornik z ciężką wodą stoi w basenie z wodą demineralizowaną, która osłania otoczenie przed promieniowaniem neutronowym i gamma z rdzenia. Reakcją łańcuchową steruje jeden pręt pochłaniający neutrony, wysuwany stopniowo w miarę zużywania się paliwa; pięć prętów bezpieczeństwa, również pochłaniających neutrony, może w razie awarii wyłączyć reaktor.

Z reaktora wychodzi około dwudziestu kanałów wiązek. Dalej neutronowody prowadzą neutrony do około czterdziestu stanowisk pomiarowych, niektórych odległych nawet o 100 metrów. Specjalne źródła dobierają ich prędkość: grafitowa kula o temperaturze 2600 °C daje neutrony „gorące”, a 20 litrów ciekłego deuteru w temperaturze −248 °C – „zimne” i „ultrazimne”.

A co z ciepłem?

Rozszczepienie zawsze wytwarza ciepło, a 58 megawatów musi gdzieś trafić. ILL podaje, że ciepło odbiera obieg wtórny zasilany wodą z rzeki Drac i nie jest ono wykorzystywane. W elektrowni ciepło jest produktem, tu – produktem ubocznym.

Reaktor nie zawsze pracuje nawet z pełną mocą. Opublikowany harmonogram na 2026 rok obejmował trzy cykle: 48, 56 i 58 dni, odpowiednio przy 56; 47,9 i 46,2 megawata; ostatni zakończył się 29 października 2026 r. (stan na 3 listopada 2026 r.). Strony ILL opisują zwykły rytm pracy na dwa nieco różne sposoby: jako cykle 50-dniowe albo jako mniej więcej trzy cykle po około 60 dni w roku. Na każdy cykl zużywa się jeden element paliwowy.

Dlaczego reaktor, a nie coś innego?

Neutrony można uwolnić także inaczej: bombardując ciężkie jądra, na przykład rtęci, protonami o wysokiej energii. Ten proces to spalacja. ILL przyznaje, że źródła spalacyjne dają impulsowe wiązki, które mają własne zalety, ale – jak pisze – nie dorównują jego strumieniowi uśrednionemu w czasie. Reaktor ILL daje 1,5 × 10¹⁵ neutronów na sekundę na centymetr kwadratowy; instytut opisuje to jako najintensywniejszy ciągły strumień na świecie.

O to właśnie chodzi. Im więcej neutronów pada na próbkę, tym mniejsza może być próbka i tym szybciej da się wykonać pomiar. Dlatego też naukowcy ustawiają się w kolejce: ILL podaje, że co roku dostaje około 1500 wniosków o czas pomiarowy i może przyjąć mniej więcej połowę.

Bezpieczeństwo w alpejskiej dolinie

Reaktor w mieście u stóp Alp musi być przygotowany na trzęsienia ziemi i powodzie. ILL projektuje swoje systemy bezpieczeństwa m.in. na trzęsienie ziemi o magnitudzie 5,7 na głębokości 7 kilometrów dokładnie pod reaktorem. Po awarii w Fukushimie władze poprosiły francuskich operatorów, w tym ILL, o przyjęcie w obliczeniach jeszcze silniejszego wstrząsu.

ILL prowadzi też laboratorium środowiskowe, które należy do francuskiej krajowej sieci monitoringu radioaktywności środowiska prowadzonej przez urząd dozoru jądrowego. Pobiera około 1500 próbek rocznie, m.in. wody z rzek Drac i Isère, co daje około 5000 oddzielnych analiz.

Reaktor był przebudowywany etapami. Zbiornik wymieniono w 1995 roku, co według ILL przedłużyło techniczną żywotność reaktora do około 2060 roku, a w 2025 roku rządy Francji, Niemiec i Wielkiej Brytanii zgodziły się na jego pracę do 2033 roku. Historia instytutu jest na stronie Europejskie źródło neutronów. Kto może korzystać z neutronów reaktora, także z Polski, wyjaśnia artykuł Czy naukowcy z Polski mogą korzystać z ESRF i ILL?