Pierwszy reaktor - CP-1

Pierwszy reaktor jądrowy Chicago Pile 1 powstał w grudniu 1942 roku na terenie kortów do squasha pod zachodnimi trybunami stadionu Stagg Field na Uniwersytecie w Chicago. Stworzony został przez zespół naukowców pod kierownictwem Enrico Fermiego.

Reaktor był właściwie starannie wykonanym stosem na drewnianej konstrukcji, składającym się z 57 warstw ułożonych z około 40 000 bloków grafitowych o łącznej masie 360 ton i będących moderatorem neutronów. W specjalnie wyprodukowanych, by wykluczyć możliwość zanieczyszczeń, blokach wydrążono około 22 000 otworów, by w nich umieścić paliwo w postaci 45 ton tlenku uranu i 5,4 tony metali uranowych.

Okres budowy stosu był niezwykle krótki - proces jego układania rozpoczął się 16 listopada 1942 roku, nieco na ponad dwa tygodnie przed eksperymentem osiągnięcia krytyczności. Reaktor osiągnął trwałą samopodtrzymującą się reakcję łańcuchową 2 grudnia 1942 roku o 15:25, a Fermi wyłączył go o 15:53. Te 28 minut zmieniło świat.

W przeciwieństwie do większości późniejszych reaktorów jądrowych, nie posiadał on żadnych osłon ani układu chłodzenia, ponieważ działał z bardzo małą mocą - około pół wata. Kształt stosu miał być z grubsza sferyczny, ale podczas prac Fermi obliczył, że masa krytyczna może zostać osiągnięta bez wykończenia całego stosu zgodnie z pierwotnym planem.

Reaktor ten był poprzednikiem pierwszych reaktorów zbudowanych w Hanford w stanie Waszyngton, które służyły do produkcji plutonu.


rys. Chicago Pile 1

Pierwszy reaktor poza USA - ZEEP

5 września 1945 roku, o godzinie 15:45 w Chalk River w kanadyjskiej prowincji Ontario uruchomiono ZEEP (Zero Energy Experimental Pile) – pierwszy reaktor jądrowy, który osiągnął stan krytyczny poza Stanami Zjednoczonymi. Tym samym Kanada stała się drugim państwem na świecie, w którym przeprowadzono kontrolowaną, samopodtrzymującą się reakcję łańcuchową.

ZEEP nie był elektrownią ani nawet typowym reaktorem badawczym dużej mocy. Był niewielkim, eksperymentalnym układem zaprojektowanym przede wszystkim do badania fizyki reaktorowej i określania optymalnego rozmieszczenia paliwa oraz moderatora. Wykorzystywał uran naturalny jako paliwo, ciężką wodę jako moderator oraz grafit jako reflektor. Maksymalna moc cieplna wynosiła zaledwie 30 W.

Znaczenie ZEEP było jednak ogromne. Reaktor dostarczył danych niezbędnych do zaprojektowania i uruchomienia w 1947 roku znacznie większego reaktora NRX (National Research Experimental).

Doświadczenia zdobyte podczas prac nad ZEEP stały się również jednym z fundamentów kanadyjskiej drogi rozwoju reaktorów moderowanych ciężką wodą – prowadzącej ostatecznie do technologii CANDU.

Co ciekawe, ZEEP był konstrukcją przestawną i niezwykle czułym „instrumentem” do badań fizyki reaktorowej. W przeciwieństwie do NRX, który projektowano przede wszystkim z myślą o pracy na wysokiej mocy, ZEEP można było rekonfigurować i wykorzystywać do eksperymentów nad zachowaniem układu reaktorowego. Jego następcą był ZED-2, uruchomiony w Chalk River w 1960 roku i nadal wykorzystywany do badań.

ZEEP wyłączono 27 lipca 1970 roku, a jego pełny demontaż zakończono w 1997 roku. Dziś pozostaje jednym z najważniejszych symboli początków kanadyjskiego programu jądrowego.


fot. Budynki ZEEP i NRX w Laborarorium Chalk River w 1945 roku, domena publiczna

Pierwszy europejski reaktor - F-1

Natomiast pierwszym europejskim reaktorem był uruchomiony w ZSRR w dniu 25 grudnia 1946 roku pod kierunkiem Igora Kurczatowa w Laboratorium nr 2 reaktor F-1. Budowa reaktora jądrowego miała na celu uzyskanie plutonu-239, powstającego pod wpływem silnego strumienia neutronów, który później miał posłużyć do budowy bomby atomowej.

Reaktor zbudowano jako blok grafitu, pełniącego rolę moderatora, w kształcie walca z kopułą o średnicy 7,5 m,. W grafitowym bloku w licznych otworach umieszczono paliwo zawierające uran-238 uformowany w cylindry o średnicy 32 mm i długości 100 mm. Reaktor nie posiadał układu chłodzenia i mógł osiągać moc do 100 kW.

Oprócz produkcji plutonu, reaktor stał się polem doświadczalnym dla badań nad sterowaniem reaktora, szkoleniem operatorów czy badań nad poziomem promieniowania.


fot. Reaktor F-1

Pierwsze reaktory produkujące prąd

Pierwsze reaktory jądrowe do komercyjnego, cywilnego zastosowania były rozwinięte w latach 1950. W 1951 roku został ukończony reaktor EBR-1, zlokalizowany w National Reactor Testing Station w Idaho. Podczas pierwszego demonstracyjnego pokazu zorganizowanego przez Argonne National Laboratory, prąd pochodzący z przemian jądrowych zasilił 4 żarówki o małej mocy. Reaktor EBR-1 był prototypem reaktorów chłodzonych ciekłym metalem. Reaktor BORAX III, prototyp reaktora BWR zapewnił prąd do oświetlenia miasta Arco w 1955 roku.


fot. Cztery żarówki zasilane po raz pierwszy prądem z przemian jądrowych

W latach 1950 i 1960, powstało wiele innych mniejszych reaktorów o różnej konstrukcji (PWR, BWR, reaktory chłodzone ciekłym metalem czy gazem). Jednak w USA rozwijano jedynie projekty reaktorów PWR i BWR. Poniższy wykaz pokazuje historię pierwszych reaktorów w USA.

Rok	Jednostka	MWe	Lokalizacja	Użytkownik	Typ reaktora	Zamknięcie
1957	Shippingport	60	Shippingport, PA	Duquesne Light	PWR / LWBR	1982
1960	Dresden 1	200	Morris, IL	Commonwealth Edison	BWR	1978
1961	Yankee Rowe	160	Rowe, MA	Yankee Atomic	PWR	1991
1962	Big Rock Point	60	Charlevoix, MI	Consumers Power	BWR	1997
1963	Indian Point 1	250	Buchanan, NY	Consolidated Edison	PWR	1974
1963	Humboldt Bay 3	60	Eureka, CA	PG&E	BWR	1976
1963	Hallam	75	Hallam, NB		LMGMR	1964
1964	BONUS	70	Rincon, PR		BWR	1968
1966	Fermi 1	60	Monroe, MI	Detroit Edison	LMFBR	1978
1966	Hanford-N	860	Richland, WA	AEC/WPPSS	LGR	1988
1966	Pathfinder	60	Sioux Falls, SD	Northern States Power	BWR	1967
1967	Peach Bottom 1	40	Peach Bottom, PA	Philadelphia Electric	HTGR	1974
1969	LaCrosse	50	Genoa, WI	Dairyland Power	BWR	1987

Pierwsza doświadczalna elektrownia jądrowa

Mniej więcej w tym samym czasie w Obnińsku w Rosji powstał reaktor moderowany grafitem o mocy termicznej 30 MWt i elektrycznej 5 MWe. Reaktor ten uzyskał stan krytyczny, czyli stan samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej w dniu 9 maja 1954 roku a w dniu 26 czerwca 1954 roku po raz pierwszy podano prarę na turbiną a dzień poźniej rozpoczęto generację energii elektrycznej. Blok który rozpoczął regularne działanie w październiku 1954 roku był prekursorem reaktorów RBMK. Reaktor ten był eksploatowany do 29 kwietnia 2002 roku, zapewniając ciepło do ogrzewania 2000 gospodarstw. Elektrownia w Obnińsku jest uznawana za pierwszą doświadczalną elektrownię jądrową (w skali półtechnicznej) na świecie.


fot. Elektrownia jądrowa w Obnińsku

Pierwsza przemysłowa elektrownia jądrowa

Dwa lata później, tzn. w 1956 roku w Calder Hall w Wielkiej Brytanii uruchomiono pierwszą przemysłową elektrownię jądrową z reaktorem chłodzonym gazem (GCR). Budowa elektrowni rozpoczęła się w 1953 roku, blok 1 został po raz pierwszy podłączony do sieci 27 sierpnia 1956 roku i oficjalnie otwarty przez królową Elżbietę II w dniu 17 października 1956 roku. EJ Calder Hall posiadała cztery reaktory Magnox o mocy netto 60 MWe każdy, zmniejszonej do 50 MWe w 1973 roku. Reaktory dostarczały również parę do celów technologicznych dla zakładów Sellafield. We wczesnym okresie funkcjonowania EJ Calder Hall produkowała głównie pluton przeznaczony do produkcji wojskowej, produkcja energii elektrycznej była celem drugorzędnym. Od 1964 roku była już używany głównie do produkcji energii elektrycznej a w kwietniu 1995 roku rząd Wielkiej Brytanii ogłosił, że zaprzestano wszelkiej produkcji plutonu na potrzeby wojska. EJ Calder Hall była wyposażona cztery chłodnie kominowe, zbudowane w latach 1950–56, które miały 88 metrów wysokości i kształt hiperboloidalny o naturalnym ciągu.


fot. Elektrownia jądrowa Calder Hall w Wielkiej Brytanii

Pierwsza komercyjna elektrownia jądrowa

2 grudnia 1957 roku o godzinie 12:30 po raz pierwszy stan krytyczny osiągnął bowiem reaktor w Elektrowni Jądrowej Shippingport w Stanach Zjednoczonych, uznawanej za pierwszą komercyjną elektrownię jądrową wyposażoną w reaktor lekkowodny PWR.

Zlokalizowany w pobliżu istniejącej obecnie Elektrowni Jądrowej Beaver Valley na rzece Ohio w hrabstwie Beaver w Pensylwanii około 40 km od Pittsburgha blok wyprodukował po raz pierwszy energię elektryczną 18 grudnia 1957 roku, po zsynchronizowaniu go z siecią dystrybucyjną Duquesne Light Company.

Ciekawostką jest, iż pracujący do 1982 roku blok jądrowy posiadał w swojej historii trzy konfiguracje rdzenia. Po raz pierwszy reaktor jako paliwa używał wysoko wzbogaconego uranu (93% uranu-235). W drugiej konfiguracji znacznie zwiększono jego moc, a w trzeciej w 1977 roku reaktor stał się eksperymentalnym moderowanym lekką wodą reaktorem powielającym.