Czy w PSI działa reaktor jądrowy? Skąd naprawdę biorą się tamtejsze neutrony

Skąd to pytanie

Pytanie nie jest bezpodstawne. PSI powstało 1 stycznia 1988 roku z połączenia dwóch instytutów, z których jednym był Szwajcarski Federalny Instytut Badań Reaktorowych (EIR). Sam EIR wyrósł ze spółki Reaktor AG, założonej w Würenlingen w marcu 1955 roku i przejętej później przez Konfederację. PSI wciąż prowadzi badania nad bezpieczeństwem elektrowni jądrowych, ma jedyne w Szwajcarii laboratorium do badania materiałów silnie promieniotwórczych i mieści federalny magazyn przejściowy odpadów promieniotwórczych.

Do tego PSI wytwarza neutrony do badań na dużą skalę, a neutrony większości osób kojarzą się z reaktorem. Odpowiedź ma więc dwie części: co stało się z reaktorami i skąd w zamian biorą się neutrony.

Same badania jądrowe nie skończyły się wraz z reaktorami. Na mocy porozumienia zawartego w 1988 roku PSI wspiera eksperckimi analizami urząd ENSI, a jego program skupia się dziś na bezpieczeństwie jądrowym i bezpieczeństwie paliwa. Od 2011 roku PSI co roku przelicza załadunek rdzeni wszystkich szwajcarskich elektrowni jądrowych jako niezależną kontrolę; według PSI jego obliczenia zawsze dotąd potwierdzały obliczenia operatorów. Ta praca toczy się na komputerach i w laboratoriach, a nie w żadnym własnym reaktorze PSI.

Trzy reaktory badawcze, wszystkie wyłączone

Na terenie dzisiejszego PSI stały trzy reaktory badawcze. DIORIT ostatecznie wyłączono w 1977 roku i usunięto z niego paliwo. SAPHIR zamknięto w 1994 roku. PROTEUS, reaktor zerowej mocy o mocy cieplnej około jednego kilowata, chłodzony naturalnym ruchem powietrza, służył od lutego 1968 do kwietnia 2011 roku do doświadczeń z fizyki reaktorów; PSI postanowiło ze względów strategicznych go wyłączyć i nie modernizować.

Wszystkie trzy są dziś projektami likwidacji pod nadzorem ENSI. W PROTEUS drugi etap demontażu zakończono w 2025 roku, a PSI przygotowuje etap ostatni. Demontaż reaktora SAPHIR ENSI określa jako mocno zaawansowany. DIORIT jest w dużej mierze rozebrany; w marcu 2026 roku ENSI uznał, że uzupełniający projekt PSI, zakładający usunięcie całej instalacji, tak aby teren przestał podlegać prawu o energii jądrowej, spełnia cele ochrony – pod 14 warunkami (stan na 3 listopada 2026 r.).

Jakie obiekty jądrowe PSI prowadzi

PSI pozostaje więc obiektem jądrowym, tyle że nie reaktorowym. ENSI wymienia dwa rodzaje działających instalacji. Pierwsza to Hotlab, gdzie materiały silnie promieniotwórcze, na przykład pręty paliwowe z elektrowni, bada się w gorących komorach o betonowych ścianach grubości 1,5 metra, za pomocą zdalnie sterowanych chwytaków; PSI nazywa go jedynym takim obiektem w Szwajcarii. Druga to gospodarka odpadami promieniotwórczymi, w tym federalne magazyny przejściowe BZL i BZL 2 – drugi działa od lata 2025 roku. Trafiają do nich odpady promieniotwórcze z medycyny, przemysłu i nauki z całej Szwajcarii.

Spalacja: neutrony wybijane protonami

Neutrony do eksperymentów pochodzą z SINQ, Szwajcarskiego Spalacyjnego Źródła Neutronów, budowanego od 1989 roku i otwartego w 1996 roku. Zasila je duży akcelerator protonów PSI, który rozpędza protony do około 80 procent prędkości światła. Wiązkę kieruje się od dołu, pionowo w górę, w tarczę z ciężkiego metalu. Gdy szybki proton trafi w jądro ołowiu, jądro się rozgrzewa i wyrzuca od 10 do 20 neutronów. Ten proces nazywa się spalacją.

Tak uwolnione neutrony są o wiele za szybkie do eksperymentów, więc tarcza tkwi w zbiorniku z ciężką wodą, która je spowalnia. Do badania większych struktur część z nich hamuje jeszcze zbiornik z bardzo zimnym ciężkim wodorem (deuterem) o temperaturze minus 250 °C – powstają neutrony zimne. Prowadnice neutronowe niosą je potem do instrumentów, co opisuje strona Neutrony i miony.

Rozszczepienie a spalacja

Reaktor badawczy wytwarza neutrony przez rozszczepienie. Jądra uranu w paliwie rozpadają się i uwalniają neutrony, z których część rozszczepia kolejne jądra. Przy odpowiednim układzie proces podtrzymuje się sam – mówi się wtedy, że reaktor osiągnął stan krytyczny, czyli warunki samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej.

Źródło spalacyjne takiego łańcucha nie potrzebuje. Każdą porcję neutronów wywołuje nadlatujący proton, więc źródło zależy w całości od akceleratora. Oak Ridge National Laboratory, opisując własne źródło spalacyjne w Stanach Zjednoczonych, ujmuje skutek wprost: wytwarzanie neutronów ustaje, gdy wiązkę protonów się wyłączy.

Dla prowadzących eksperymenty różnica jest mniej dramatyczna, niż brzmi. PSI zaznacza, że poza sposobem uwalniania neutronów SINQ dla większości użytkowników bardzo przypomina reaktor badawczy średniego strumienia. Niektóre źródła spalacyjne pracują impulsowo – to w Oak Ridge ostrzeliwuje tarczę 60 razy na sekundę – natomiast SINQ daje ciągły strumień neutronów; PSI opisuje je jako jedyne na świecie ciągłe spalacyjne źródło neutronów.

W Polsce neutrony daje reaktor

W Polsce jest odwrotnie. Jedyny w kraju reaktor jądrowy, MARIA, w Narodowym Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku pod Otwockiem, po raz pierwszy osiągnął stan krytyczny w nocy z 17 na 18 grudnia 1974 roku. To reaktor badawczy o nominalnej mocy cieplnej 30 megawatów, który wytwarza nie prąd, lecz neutrony: do produkcji radioizotopów dla medycyny, takich jak molibden-99 i jod-131, do napromieniania materiałów i do wiązek neutronowych pokazujących budowę materii.

Oba kraje używają więc neutronów do podobnych badań, ale zdobywają je inaczej: Polska z reaktora, kampus PSI z akceleratora. Jak neutrony wykorzystuje się w eksperymentach i dlaczego widzą to, czego nie widzą promienie rentgenowskie, wyjaśnia strona Neutrony i miony. Ta sama wiązka protonów daje też miony, a z nich wziął się jeden z najbardziej znanych wyników PSI: Jak duży jest proton?