1. MARIA: Co to jest?

Najbardziej zapracowana MARIA w Polsce jest jedynym działającym w kraju badawczym reaktorem jądrowym. Wykorzystuje neutrony, które pochodzą z kontrolowanej reakcji rozszczepienia jąder atomowych, do wytwarzania izotopów promieniotwórczych oraz prowadzenia badań. W rdzeniu, który jest sercem każdego reaktora jądrowego, powstają radioizotopy wykorzystywane w medycynie do diagnozowania i leczenia oraz w przemyśle. Dzięki swojej pracy, MARIA pomaga setkom tysięcy ludzi.

MARIA jest jednym z najmłodszych i najnowocześniejszych badawczych reaktorów jądrowych w Europie i dzięki modernizacji będzie mogła pracować jeszcze przez wiele lat.

2. MARIA: Gdzie to jest?

MARIA, ukryta pod charakterystyczną okrągłą betonową kopułą oraz w towarzystwie kominów wentylatorni (o wiele mniejszych, niż w typowych elektrowniach jądrowych), jest usytuowana pośród malowniczych lasów Mazowsza. Stanowi chlubę Narodowego Centrum Badań Jądrowych, jednego z największych instytutów naukowych w Europie Środkowej. MARIA znajduje się w głównej siedzibie NCBJ, w Świerku, dzielnicy Otwocka. W Instytucie prowadzone są zarówno badania podstawowe, jak i stosowane, głównie z dziedziny fizyki, zwłaszcza fizyki jądrowej, ale także inżynierii materiałowej, elektroniki, astrofizyki, inżynierii środowiska, energetyki oraz nauk farmaceutycznych. Reaktor MARIA stanowi ważne urządzenie do produkcji oraz badań związanych z większością z nich.

3. MARIA: Co produkuje?

Głównym zadaniem reaktora MARIA jest wytwarzanie radioizotopów. W rdzeniu reaktora znajduje się kilkadziesiąt kanałów izotopowych, do których trafiają zasobniki z tarczami. W zależności od umiejscowienia, na materiał tarczowy działa promieniowanie neutronowe o różnym natężeniu i różnych energiach. Tarcze spędzają w rdzeniu MARII co najmniej kilkadziesiąt godzin, w trakcie których stabilne izotopy pod wpływem neutronów stają się izotopami promieniotwórczymi. Tak napromienione tarcze opuszczają rdzeń reaktora i są przetwarzane, np. do postaci radiofarmaceutyków.

Radioizotopy, których MARIA wytwarza najwięcej, to jod-131, molibden-99, siarka-35, fosfor-32, samar-153, holm-166, iterb-169, kobalt-60 oraz lutet-177.

4. MARIA: Co jej wkładają do rdzenia?

W rdzeniu MARII umieszczane są głównie materiały tarczowe do wytwarzania radioizotopów. Materiały te są umieszczane w specjalnych aluminiowych zasobnikach do napromieniania, w których trafiają do tzw. kanałów izotopowych. Są to specjalnie przygotowane miejsca w rdzeniu, gdzie na zasobniki z materiałem tarczowym działa dokładnie znane promieniowanie neutronowe. Dzięki temu naukowcy są w stanie precyzyjnie określić, jak długo dana tarcza musi spędzić w rdzeniu reaktora, aby wytworzony w niej izotop promieniotwórczy osiągnął pożądaną aktywność. Po jej osiągnięciu, zasobniki są transportowane do komór gorących, osłoniętych grubą warstwą ołowiu i szkła ołowiowego. Operacje na napromienionych zasobnikach są wykonywane przy pomocy specjalnych manipulatorów, wymagających od operatorów ogromnej wprawy i precyzji.

Poza produkcją, do rdzenia reaktora trafiają także materiały do badań. Są one wystawione na działanie strumienia neutronów, aby dowiedzieć się, jak promieniowanie wpływa na właściwości danego materiału. Ze względu na niezwykle wysoki strumień neutronów, jaki występuje w MARII, kilka tygodni lub miesięcy spędzonych w rdzeniu odpowiada nawet kilku dekadom działania promieniowania w reaktorze energetycznym. Dzięki temu naukowcy mogą sprawdzić, czy konkretny materiał wytrzyma przewidziany czas pracy w innym reaktorze. Często takie materiały są dodatkowo umieszczane w specjalnych sondach, w których mogą osiągnąć o wiele większą temperaturę, niż w samym rdzeniu MARII. W ten sposób w reaktorze badacze osiągnęli w sondzie temperaturę 1000 stopni Celsjusza.

5. MARIA: Po co strzela na boki?

Oprócz kanałów pionowych, przez które do rdzenia MARII trafiają zasobniki z materiałem tarczowym, w reaktorze znajdują się również tzw. kanały poziome. Dzięki nim, z rdzenia można wyprowadzić wiązki neutronów o zadanych parametrach. Taka wiązka trafia do hali fizycznej, gdzie może być skierowana do urządzeń badawczych, takich jak dyfraktometry i spektrometry. W ten sposób naukowcy są w stanie wykorzystać wiązki do badania m. in. rozpraszania neutronów, co pozwala uzyskać informacje dotyczące wewnętrznej budowy materiałów.

Przy jednym z kanałów poziomych powstaje nowe stanowisko do badań biologicznych i medycznych. Wychodząca kanałem wiązka neutronów o niskich energiach może być zastosowana w badaniach nad terapią borowo-neutronową, która pozwoli skutecznie walczyć z niektórymi rodzajami nowotworów.

6. MARIA: Do czego się nie nadaje?

W przeciwieństwie do elektrowni jądrowych, w reaktorze MARIA ciepło wytwarzane podczas reakcji rozszczepienia jest wyłącznie odpadem. Najbardziej istotny w badawczym reaktorze jądrowym jest silny strumień neutronów dzięki któremu można napromieniać inne materiały, a nie wytwarzanie energii. W MARII powstające ciepło jest odprowadzane przez ciśnieniowy obieg chłodzenia kanałów paliwowych oraz obieg chłodzenia basenu. Oba te obiegi odprowadzają ciepło do wspólnego obiegu wtórnego, który z kolei jest połączony z chłodnią wentylatorową, gdzie ciepło trafia do atmosfery.

7. MARIA: Jak działa reaktor?

Reaktor jądrowy to urządzenie, które pozwala przeprowadzać kontrolowaną reakcję rozszczepienia jąder atomowych. Materiał rozszczepialny zawarty w paliwie, którym w tym przypadku jest uran-235, pod wpływem neutronów rozpada się na lżejsze pierwiastki. W procesie tym uwalniana jest duża ilość energii oraz kolejne neutrony, które mogą wywoływać kolejne reakcje rozszczepienia.

Neutrony powstające podczas reakcji rozszczepienia mają bardzo dużą energię, zbyt dużą, by łatwo powodować kolejne rozpady. W tym celu należy odebrać im część energii, czyli spowolnić je. Służy do tego moderator, którego rolę zwykle pełni woda. Neutrony zderzają się z lekkimi atomami i, ze względu na ich podobną masę, łatwo wytracają swoją energię.

Aby panować nad tempem trwającej reakcji rozszczepiania, w reaktorze znajdują się pręty sterujące i pręty kompensacyjne. W zależności od tego, jak głęboko zostaną wsunięte do rdzenia, pochłaniają one nadmiar neutronów i sprawiają, że reakcja zachodzi stabilnie.

Energia pochodząca z reakcji rozszczepienia jąder, będąca w większości energią kinetyczną produktów rozszczepienia, powoduje nagrzewanie paliwa. Ciepło to musi być odprowadzone przez układ chłodzenia i może być (jak w reaktorze energetycznym) wykorzystane do produkcji pary i dalej energii elektrycznej, bądź (jak w przypadku reaktora badawczego) usunięte z rdzenia i odprowadzone do atmosfery.

8. MARIA: Jak jest zbudowana?

MARIA jest reaktorem o dość nietypowej konstrukcji, tzw. kanałowo-basenowym. Kanały paliwowe, w których znajduje się specjalnie przygotowane elementy zawierające rozszczepialny uran, wraz z blokami berylowymi (stanowiącymi moderator) i blokami grafitowymi (stanowiącymi reflektor – zawracają uciekające z rdzenia neutrony) tworzy rdzeń reaktora jądrowego. Rdzeń ten jest zanurzony w basenie reaktora pod siedmiometrową warstwą wody. Częściami rdzenia są także kanały izotopowe, do których trafiają zasobniki z materiałem do napromieniania, a także pręty pochłaniające, pręty kompensacyjne i pręty bezpieczeństwa, pozwalające na kontrolowanie reakcji rozszczepienia.

Basen reaktora jest otoczony stalową wykładziną oraz grubą warstwą betonu, która wraz z wodą wypełniającą basen reaktora stanowi osłonę biologiczną. Basen reaktora jest również połączony śluzą z sąsiednim basenem przechowawczym, do którego trafiają wypalone elementy paliwowe oraz napromienione elementy konstrukcyjne.

Rdzeń w reaktorze MARIA jest modułowy i może być dostosowany do konkretnego programu produkcyjnego lub badawczego, aby uzyskać konieczne parametry, zwłaszcza strumień i energię neutronów.

9. MARIA: Czy nie wybuchnie?

Bezpieczna praca MARII jest gwarantowana przez wiele systemów bezpieczeństwa. Systemy sterowania, zabezpieczeń i kontroli technologicznej zapewniają prawidłowe działanie wszystkich elementów sterowania reaktorem, a także zbierają dane dotyczące przebiegających reakcji rozszczepienia, jak również innych procesów fizycznych i technologicznych występujących podczas normalnej pracy reaktora. Za chłodzenie elementów paliwowych reaktora odpowiadają układ pierwotny i wtórny. Układy te, odbierające ciepło pochodzące z reakcji rozszczepienia podczas pracy reaktora oraz ciepło powyłączeniowe po jego wygaszeniu, są wyposażone w dodatkowe pompy, które są w stanie chłodzić reaktor nawet w przypadku awarii. Dodatkowy układ bezpieczeństwa odpowiada także za wyłączenie reaktora w przypadku wystąpienia awarii. Układ blokuje rozruch i zwiększanie mocy reaktora, a w ostateczności, powoduje awaryjne zalanie rdzenia i wygaszenie reakcji rozszczepienia.

Choć MARIA sama nie produkuje energii elektrycznej, wymaga jej do prawidłowego działania. Układy zasilania dostarczające prąd elektryczny to wszystkich niezbędnych elementów także są odpowiednio zabezpieczone – MARIA jest zasilana z trzech niezależnych linii energetycznych, co zapewnia ciągłą i bezpieczną pracę zarówno w warunkach normalnych, jak i w razie awarii. W budynku reaktora znajduje się również system dozymetryczny, który odpowiada za monitorowanie promieniowania w budynku reaktora, a także za ochronę radiologiczną personelu. Dodatkowo, obejmuje on ocenę zagrożenia ludności wynikającego z działania reaktora MARIA.

10. MARIA: Czy świeci i produkuje odpady?

Na wielu zdjęciach i filmach ukazujących MARIĘ widoczne jest charakterystyczne błękitne światło wydobywające się z jej rdzenia. Nie jest to efekt zainstalowania w basenie reaktora lamp, a naturalne zjawisko fizyczne – promieniowanie Czerenkowa. W wyniku reakcji jądrowych zachodzących w rdzeniu reaktora powstają naładowane cząstki o wysokich energiach. Cząstki te dostają się do wody otaczającej rdzeń i powodują polaryzację atomów, blisko których przelatują. Powracając do poprzedniego stanu, atomy emitują część energii, widoczną jako charakterystyczne, błękitne światło.

Reakcje rozszczepienia jąder zużywają paliwo – uran-235 rozpada się na lżejsze pierwiastki, które zostają w elementach paliwowych. Jednak nawet po wyłączeniu reaktora w paliwie nadal zachodzą reakcje jądrowe, np. z rozpadających się izotopów promieniotwórczych. Zużyte paliwo jądrowe jest przez co najmniej kilka lat przechowywane i chłodzone w basenie znajdującym się obok basenu reaktora, po czym jest transportowane do producenta, który zajmuje się jego dalszym przetworzeniem.

Poza zużytym paliwem, z pracą reaktora MARIA wiąże się powstawanie także innych odpadów. Wszystkie one, zarówno w postaci stałej, ciekłej, jak i gazowej, są dokładnie monitorowane. Nisko- i średnioaktywne odpady stałe i ciekłe trafiają do pobliskiego Zakładu Unieszkodliwiania Odpadów Promieniotwórczych, który przetwarza je i przygotowuje do składowania w Krajowym Składowisku Odpadów Promieniotwórczych w Różanie. Odpady gazowe przechodzą przez układ wentylacji, gdzie poddawane są filtracji. Z komina reaktora podczas normalnej pracy uwalniane są dokładnie kontrolowane ilości pewnych gazów, głównie argonu-41, powstającego na skutek aktywacji powietrza.

11. MARIA – historia: Skąd się wzięła?

Już niecałą dekadę po uruchomieniu pierwszego w Polsce reaktora jądrowego EWA, w 1964 roku został opracowany plan wykorzystania drugiego reaktora badawczego. Podobnie do swej poprzedniczki, nowy reaktor miał być przeznaczony do napromieniania tarcz do wytwarzania radioizotopów, jednak duży nacisk położono także na badania naukowe. Nowa konstrukcja miała umożliwiać badania fizyczne, radiochemiczne, badania materiałowe w specjalnych sondach i pętlach, a także badania z zakresu inżynierii materiałowej i energetyki jądrowej. Dwa lata później została podjęta decyzja o budowie reaktora MARIA, których nazwa pochodzi oczywiście od dwukrotnej polskiej noblistki, Marii Skłodowskiej-Curie. W przeciwieństwie do EWY, która była reaktorem konstrukcji radzieckiej, MARIA została zaprojektowana i zbudowana w całości przez polskich specjalistów i techników. Budowę rozpoczęto w 1970 roku (16 czerwca nastąpiło uroczyste wmurowanie kamienia węgielnego w płytę fundamentową budynku), a reaktor po raz pierwszy uzyskał stan krytyczny 18 grudnia 1974 roku o godzinie 0:17.

12. MARIA – historia: Czy miała starsze siostry?

Pierwszym badawczym reaktorem jądrowym zbudowanym w Polsce był reaktor EWA (nazwa jest akronimem od słów Eksperymentalny, Wodny, Atomowy). Reaktor został zakupiony od Związku Radzieckiego i uruchomiony w ówczesnym Instytucie Badań Jądrowych w 1958 roku. EWA była reaktorem typu WWR-S o mocy cieplnej 2 MW. Polscy naukowcy dokonali wielu zmian, dzięki czemu moc reaktora wzrosła pięciokrotnie, do 10 MW, a okresowo nawet do 12 MW cieplnych. EWA przede wszystkim wytwarzała radioizotopy przeznaczone dla medycyny i przemysłu i pracowała bez żadnych awarii przez 37 lat. Reaktor wyłączono w 1995 roku, a jego likwidacja zakończyła się w roku 2002.

W Instytucie powstało także kilka tzw. reaktorów mocy zerowej (nazywa się rak reaktory o rzeczywistej mocy rzędu 100 W, które nie wymagają czynnego odprowadzania ciepła). Pierwszym zbudowanym w Świerku był zestaw krytyczny ANNA, który powstał w latach 1961-63, zaprojektowany i zbudowany w całości przez naszych specjalistów. ANNA była przeznaczona do prac naukowo-badawczych, a przez pewien czas także wytwarzanie radioizotopów. W 1972 roku ANNA przeszła gruntowną modyfikację, dzięki której mogła pracować na naturalnym uranie bez moderatora. Taka konstrukcja wykorzystuje do rozszczepienia neutrony prędkie (gdzie w MARII reakcje wywołują neutrony spowolnione, tzw. neutrony termiczne), stąd zestaw zmienił nazwę na P-ANNA (Prędka ANNA).

Kolejnym reaktorem mocy zerowej była MARYLA, uruchomiony w 1963 roku. MARYLA służyła do badań nad możliwościami pracy reaktora EWA na zmiennej oraz zwiększonej mocy, a także badań nad zastosowaniem innego typu paliwa. Zestaw MARYLA pracował w wielu konfiguracjach, oznaczanych np. jako Maryla-1 oraz Maryla-2, a w trakcie badań przetestowano ok. 180 różnych konfiguracji. Reaktor MARYLA zakończył swoją pracę w połowie lat 70-tych XX wieku. Na bazie ostatnich modyfikacji reaktora MARYLA miał powstać reaktor uniwersytecki UR-100 o mocy 100kW, nazywany również reaktorem WANDA (Wodny, Akademicki, Naukowy, Dydaktyczny, Aplikacyjny). UR-100 był projektowany z uwzględnieniem możliwości seryjnej produkcji dla uczelni wyższych. Reaktor przeszedł w Świerku pomyślne testy krytyczności, po czym prototyp w 1985 roku przewieziono do Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, gdzie jednak nigdy nie został uruchomiony.

W Świerku powstał też zestaw podkrytyczny HELENA (zestaw podkrytyczny nie osiąga masy krytycznej potrzebnej do przeprowadzenia łańcuchowej reakcji rozszczepienia i potrzebuje zewnętrznego źródła neutronów). Zestaw został zbudowany w 1963 roku i służył do badań parametrów fizycznych przy pracy na paliwie z naturalnego uranu. Zestaw HELENA został zdemontowany około roku 1980.

Ostatnim zestawem krytycznym, jaki powstał przed reaktorem MARIA, był uruchomiony w 1973 roku reaktor AGATA. Był to reaktor mocy zerowej o konstrukcji bardzo podobnej do MARII i początkowo testowano w nim paliwo, na którym miała pracować MARIA. AGATA służyła również jako reaktor szkoleniowy dla przyszłych operatorów MARII, a także testowano w nim makiety pętli wodnych przed zastosowaniem ich w reaktorze MARIA. AGATA zakończyła pracę w latach 80-tych XX wieku.

13. MARIA – przyszłość: Czy dożyje 100 lat?

Od czasu uruchomienia w 1974 roku, MARIA przechodziła wiele modernizacji, podczas których wymieniano i usprawniano układy działające w reaktorze. Pierwsza gruntowna modernizacja odbyła się w 1985 roku i w jej trakcie wymieniono m.in. system sterowania reaktorem, urządzenia systemu chłodzenia, klimatyzacji i wentylacji. W latach 80-tych, w wyniku awarii reaktora energetycznego w Czarnobylu, MARIA zyskała nowe układy bezpieczeństwa, takie jak układ zalewania kanałów paliwowych. Największymi zmianami w reaktorze MARIA było przejście z wysokowzbogaconego (80% zawartości rozszczepialnego uranu-235) na średnio-, a następnie niskowzbogacone paliwo (poniżej 20% zawartości 235U). Proces konwersji na niskowbogacone paliwo trwał w latach 2000-2014 i był połączony z modernizacją obiegu chłodzenia.

Najnowszy szereg modernizacji zakończył się w 2023 roku i dotyczył głównych rozdzielni oraz sterowni reaktora, a także części układów pomiarowych i chłodni wentylatorowej. Mimo, iż MARIA ma już na karku pół wieku, dzięki stałym usprawnieniom wciąż jest jednym z najnowocześniejszych reaktorów badawczych i będzie mogła pracować co najmniej do lat 50-tych XXI wieku.

14. MARIA – przyszłość: Czy będzie miała siostrę?

Już niedługo, MARIA może nie dość, że nie być już jedynym reaktorem jądrowym w Polsce, to możliwe, że w Świerku pojawi się jej siostra. W NCBJ przygotowywany jest projekt reaktora wysokotemperaturowego chłodzonego gazem (HTGR). Reaktor ten jest przeznaczony dla przemysłu, gdyż pozwala na wytworzenie wysokotemperaturowej pary (o temperaturze rzędu kilkuset stopni Celsjusza), która jest niezbędna w niektórych procesach przemysłowych. Reaktor HTGR uwzględnia również możliwość tzw. kogeneracji, czyli produkcji zarówno ciepła, jak i elektryczności. W Świerku ma powstać zmniejszona wersja reaktora (30 MW mocy względem 160 MW wariantu przemysłowego) o nazwie HTGR-POLA. Będzie ona stanowić demonstrator tej technologii w Polsce przed wprowadzeniem na rynek wariantu skierowanego dla przemysłu.

Dodatkowo, choć MARIA nie przejdzie na emeryturę jeszcze przez wiele lat, już teraz pojawiają się plany jej następczyni, która przejmie obowiązek wytwarzania radioizotopów i pozwoli nadal zapewniać leki setkom tysięcy pacjentów, a także prowadzić nowe badania fizyczne.

15. MARIA – przyszłość: Elektrownia? Jak możemy wam pomóc?

NCBJ posiada autoryzację Państwowej Agencji Atomistyki, dzięki czemu może wspierać prezesa PAA w zakresie oceny skutków radiologicznych wynikających z przeprowadzonych analiz bezpieczeństwa dla różnych stanów elektrowni jądrowych, probabilistycznych analiz bezpieczeństwa elektrowni jądrowych oraz zagadnień fizyki jądrowej w praktycznych zastosowaniach w elektrowniach jądrowych. Jest to pierwszy krok do ubiegania się przez NCBJ o rolę organizacji wsparcia technicznego dla PAA w procesie licencjonowania i nadzoru nad budową elektrowni jądrowych w Polsce.

Organizacja Wsparcia Technicznego (TSO) jest instytucją, która ma na celu wsparcie techniczne dla sektora jądrowego, w tym dla elektrowni i innych instalacji jądrowych, a także dla instytucji nadzoru. Organizacje TSO muszą spełniać wymogi w zakresie niezależności, ekspertyzy technicznej, dostępu do informacji, zgodności z przepisami i normami oraz szkoleniami i doskonaleniem zawodowym.

16. MARIA – przyszłość: Czy chcemy tu studentów?

MARIA, jako unikatowy reaktor badawczy, wymaga do obsługi wielu specjalistów. Nie są to jedynie operatorzy reaktora, lecz także technicy, którzy odpowiadają za poszczególne systemy elektryczne, hydrauliczne i inne. Pół wieku pracy MARII oznacza, że musi zachodzić wymiana pokoleniowa, aby zachować wiedzę i kompetencję z zakresu obsługi systemów reaktora, a także prowadzonych badań dotyczących fizyki reaktorowej. W NCBJ odbudowano np. kompetencje dotyczące projektowania i prowadzenia badań w sondach wysokotemperaturowych, które pierwotnie umieszczano w reaktorze w latach 70-tych.

Z tego powodu, w NCBJ organizowane są szkolenia i warsztaty, w tym warsztaty przeprowadzane w reaktorze MARIA. Są one kierowane zwłaszcza do studentów, którzy chcą rozpocząć karierę w branży fizyki i energetyki jądrowej i pozwalają zaznajomić się z problematyką pomiarów reaktorowych, czy bezpieczeństwem pracy reaktora. Uczestnicy mają podczas nich możliwość wzięcia udziału w rozruchu reaktora i dniu pracy jego operatora, a także poznają proces projektowania zasobników do napromieniania materiałów oraz przygotowania samych materiałów przed umieszczeniem ich w rdzeniu.

17. MARIA w NCBJ: Gdzie trafiają radioizotopy?

Materiał napromieniony w reaktorze MARIA nie może zostać bezpośrednio wykorzystany. Pożądany izotop znajduje się wśród wielu innych w tarczy i aby stał się użyteczny, trzeba go oddzielić i przetworzyć. Przez to, że materiał tarczowy spędził wiele godzin w rdzeniu MARII, staje się silnie promieniotwórczy i prace nad nim muszą być prowadzone w szczególny sposób. Z reaktora taki materiał trafia do tzw. komór gorących. Są to specjalne konstrukcje otoczone grubą warstwą ołowiu, które mają chronić operatora przed promieniowaniem. Wgląd do środka komory także jest osłonięty – odbywa się przez grubą na kilkadziesiąt centymetrów warstwę szkła ołowiowego. Same operacje na napromienionych zasobnikach operatorzy przeprowadzają za pomocą specjalnych, bardzo precyzyjnych manipulatorów, dzięki którym mogą przygotować taki materiał do dalszego transportu. W komorach napromieniony materiał trafia do pojemników, również wykonanych z grubej warstwy ołowiu, w których jest transportowany do dalszej obróbki. W takiej postaci radioizotopy trafiają np. do POLATOMU, gdzie w specjalnych instalacjach, również umieszczonych w komorach gorących, z materiału tarczowego wydobywa się pożądane izotopy i przetwarza do dalszej postaci. Ostatecznie, radioizotop wytworzony w reaktorze MARIA przyjmuje na przykład postać leku – radiofarmaceutyku, który może być podany pacjentowi, aby zdiagnozować bądź wyleczyć zmiany nowotworowe.

18. MARIA w NCBJ: Dlaczego potrzebny jest CERAD?

Reaktor MARIA jest wyjątkowym urządzeniem, które pozwala wytworzyć bardzo wiele izotopów promieniotwórczych. Jednak nasza MARIA również ma swoje ograniczenia. Materiały są napromieniane dzięki oddziaływaniu z bardzo intensywną wiązką neutronów. Niestety, nie wszystkie izotopy da się wytworzyć poprzez oddziaływanie atomów z neutronami. Między innymi z tego powodu, w NCBJ realizowany jest projekt CERAD – Centrum Projektowania i Syntezy Radiofarmaceutyków Ukierunkowanych molekularnie. Kluczowym elementem projektu jest cyklotron, rodzaj akceleratora. Urządzenie to pozwala na wytwarzanie wiązek naładowanych cząstek - protonów, deuteronów (deuter jest izotopem wodoru o jednym protonie i jednym neutronie w jądrze) oraz cząstek alfa (cząstka alfa to jądro helu – 2 protony i 2 neutrony). Takimi wiązkami mogą być bombardowane inne materiały tarczowe, dzięki czemu możemy wytwarzać inne radioizotopy. W ten sposób naukowcy w Ośrodku Radioizotopów POLATOM będą mogli projektować nowe radiofarmaceutyki, przeznaczone do leczenia konkretnych rodzajów nowotworów. Ułatwią to także nowoczesne laboratoria z niezbędną infrastrukturą, które także stanowią część projektu CERAD.

19. MARIA w NCBJ: Jak zaprojektować nowy lek?

W radiofarmaceutykach najbardziej istotne są dwa elementy – radioizotop oraz cząsteczka biologiczna, do której jest przyłączony. Radioizotop emituje promieniowanie, które może niszczyć komórki nowotworowe bądź być wykrywane przez tomografy, by zlokalizować zmiany chorobowe. W zależności od przeznaczenia, izotopy promieniotwórcze, które mają stać się częścią radiofarmaceutyku, dobiera się według ich właściwości.

Najważniejszymi z nich są czas połowicznego rozpadu oraz typ i energia emitowanego promieniowania. Czas połowicznego rozpadu decyduje o tym, jak długo radioizotop będzie działał w ciele pacjenta, zanim rozpadnie się do stabilnej postaci. Wartość ta jest kluczowa, ponieważ nie może być ani zbyt krótka, ani za długa. Zbyt niski czas rozpadu, np. rzędu kilkudziesięciu minut sprawi, że większość izotopu zniknie jeszcze zanim trafi z reaktora do laboratorium, gdzie przyjmie postać leku. Dodając do tego czas transportu gotowego leku do pacjenta, przyjąłby on zaledwie niewielki ułamek radioizotopu, który opuścił rdzeń MARII. Z kolei zbyt długie czasy rozpadu, rzędu dni bądź tygodni oznaczają, że izotop emitowałby promieniowanie w ciele pacjenta cały czas, od podania, poprzez dotarcie do docelowego obszaru nowotworu, a także dalej, przy opuszczaniu ciała pacjenta. Z tym z kolei wiąże się większe ryzyko napromienienia komórek zdrowych i dalsze komplikacje związane z utylizacją odpadów promieniotwórczych. Dlatego preferowane wartości czasu połowicznego rozpadu są rzędu kilku do kilkudziesięciu godzin. Takie izotopy mogą być przetworzone i przetransportowane, zanim większość z nich zaniknie, a także szybko rozpadają się w ciele pacjenta, po czym mogą być bezpiecznie usunięte.

Drugim niezwykle ważnym czynnikiem jest rodzaj i energia emitowanego promieniowania. W zależności od tego, jak rozpada się dany izotop (czy jest to rozpad alfa, beta, czy gamma), będzie on przeznaczony do innych celów. Rozpad alfa oznacza zwykle emisję cząsteczki o dość dużej energii, lecz o bardzo małym zasięgu, rzędu milimetrów. Taki radioizotop może trafić bezpośrednio w miejsce nowotworu, gdzie cząsteczki alfa będą niszczyć komórki nowotworowe. Cząsteczki beta mają już większy zasięg, są zatem stosowane w innych przypadkach. Z kolei emisja kwantów gamma może być zastosowana do diagnostyki, aby wykrywać skupiska, w których gromadzi się ten izotop.

Trzecim istotnym elementem radiofarmaceutyku jest cząsteczka biologiczna. Musi być ona specjalnie dobrana, aby dało się do niej przyłączyć dany radioizotop. Dodatkowo, jest ona wybierana w ten sposób, aby łatwo gromadziła się w docelowym obszarze, np. w danym narządzie, gdzie mogą znajdować się komórki nowotworowe. Jednak znalezienie pasującego zespołu radioizotopu i cząsteczki nie oznacza jeszcze wprowadzenia na rynek radiofarmaceutyku. Przedtem muszą zostać przeprowadzone długotrwałe badania, aby zapewnić skuteczność i bezpieczeństwo jego użycia. Dopiero po przejściu rygorystycznych badań i testów, nowy radiofarmaceutyk może uzyskać licencję i służyć pacjentom.

20. MARIA w NCBJ: Jak i po co projektuje się nowy materiał?

Wraz z postępami nauki, inżynierowie są w stanie projektować i wytwarzać specjalistyczne materiały, tak by uzyskać precyzyjnie ustalone właściwości. W tym celu projektuje się nowoczesne stopy metali, materiały ceramiczne i inne. Określone właściwości materiału są czasem niezbędne, aby mogły się z niego składać elementy pracujące w docelowym, niekiedy ekstremalnym środowisku.

Takim środowiskiem może być na przykład narażenie na działanie promieniowania jonizującego, co dotyczy między innymi materiałów, z których konstruuje się instalacje jądrowe, takie jak elektrownie. Materiały użyte w takich konstrukcjach muszą wytrzymać dziesiątki lat w ciągłym sąsiedztwie promieniotwórczego paliwa i od nich zależy bezpieczeństwo całej instalacji. Dlatego bardzo ważne jest projektowanie i dokładne badanie materiałów, które mają służyć do takich celów. Na szczęście i tutaj reaktor MARIA może przyjść z pomocą. Promieniowanie neutronowe, jakie występuje w reaktorze badawczym, takim jak MARIA, posiada unikalną właściwość – jest bardzo przenikliwe. Dlatego umieszczając w jego polu jakiś materiał, wystarczy zaledwie kilka tygodni lub miesięcy, aby uzyskać ten sam poziom zużycia, jaki wystąpiłby w rzeczywistej elektrowni jądrowej po wielu latach.

W reaktorze MARIA takie materiały mogą być dodatkowo umieszczane w specjalnych sondach wysokotemperaturowych, które, jak wskazuje nazwa, poza silnym promieniowaniem wystawiają materiał na długotrwałe działanie wysokiej temperatury (rzędu kilkuset, czy nawet tysiąca stopni Celsjusza), aby jeszcze lepiej oddać warunki, w jakich dany materiał musi pracować przez kilkadziesiąt lat.

21. MARIA w NCBJ: Liczyć, liczyć i liczyć?

Choć rdzeń reaktora MARIA sam w sobie jest dość niewielką strukturą, dla prawidłowego działania i napromieniania materiałów, operatorzy muszą dokładnie znać warunki panujące w środku. Dodatkowo, ze względu na budowę rdzenia i możliwość tworzenia różnych konfiguracji jego elementów, parametry takie jak strumień neutronów w danym miejscu, czy szybkość nagrzewania się elementów paliwowych mogą diametralnie różnić się dla różnych konfiguracji. Z tego powodu bardzo istotną rolę w zespole reaktora MARIA pełnią naukowcy zajmujący się obliczeniami cieplno-przepływowymi. Są to fizycy, którzy znając ułożenie elementów w rdzeniu oraz posiadając ogromną wiedzę z zakresu fizyki reaktorowej, są w stanie precyzyjnie wyznaczyć warunki panujące w rdzeniu MARII. Z pomocą specjalnych programów mogą modelować rozkład ciepła wytwarzanego w elementach paliwowych, a także przewidzieć, jak silne będzie promieniowanie neutronowe działające na materiał tarczowy. Pozwala to dokładnie zaplanować, jak długi czas taki materiał musi spędzić w rdzeniu, aby powstający w nim radioizotop osiągnął pożądaną aktywność i stać się użytecznym do przetworzenia.

W zależności od potrzeb, tego typu obliczenia mogą wykorzystywać różne sposoby modelowania wnętrza reaktora i jego elementów paliwowych. Często wykorzystuje się do tego obliczeniową dynamikę płynów, która wykorzystuje metody numeryczne do rozwiązywania zagadnień przepływu płynów. Niestety, uzyskanie w ten sposób dokładnych wyników wymaga bardzo dużej mocy obliczeniowej. Nasi naukowcy mogą w tym celu wykorzystać pracujące w NCBJ Centrum Informatyczne Świerk, które dysponuje potężnym superkomputerem.

22. MARIA w NCBJ: Co i jak warto zmierzyć?

Intensywny strumień neutronów, jaki powstaje w reaktorze MARIA, może być dzięki obecności kanałów poziomych wyprowadzony do hali fizycznej, gdzie trafia na specjalne urządzenia badawcze. Jednym z rodzajów takich urządzeń są dyfraktometry, w których wiązka promieniowania (zwykle promieniowania rentgenowskiego, w tym przypadku jest to jednak wiązka neutronów z reaktora) pada na badany materiał i zostaje ugięta. Na podstawie tak uzyskanego obrazu, naukowcy są w stanie zdobyć informacje na temat materiału. W ten sposób można badać np. niejednorodności występujące wewnątrz materiału, a także jakość wytwarzanych monokryształów metali. Innym typem urządzenia, które może wykorzystać wiązkę neutronów, jest spektrometr, który pozwala zbadać m. in. kolektywne ruchy atomów, czy poziomy energetyczne jonów w ciele stałym. Tego typu informacje mogą być uzyskane metodą nieelastycznego rozpraszania neutronów.

Neutrony z reaktora MARIA mogą zostać również wykorzystane w badaniach radiograficznych. Wykorzystywana jest w nich przenikliwość promieniowania neutronowego, dzięki czemu można dokładnie zobaczyć wewnętrzną strukturę obiektów, które są nieprzezroczyste dla światła widzialnego. Dzięki temu, badacze mogą poznać dokładnie wewnętrzną strukturę urządzeń technicznych. Co więcej, możliwa jest obserwacja ruchu prześwietlanego obiektu, tzw. radiografia dynamiczna (np. obserwacja pracy poruszającego się tłoka). Zastosowanie radiografii pozwala także na badanie innych procesów, m. in. migracji wody w materiałach porowatych, czy rozwoju systemu korzeniowego roślin.

Ciekawym wykorzystaniem radiografii jest także badanie malowideł, tzw. autoradiografia neutronowa. Napromienienie obrazu neutronami o niskich energiach sprawia, że w warstwach naniesionej farby powstają promieniotwórcze izotopy, takie jak fosfor-32. Taki izotop ulega następnie rozpadowi, co może być zarejestrowane na kliszy rentgenowskiej. W ten sposób można otrzymać na kliszy obraz odpowiadający poszczególnym pigmentom, także występującym w głębszych warstwach malarskich. Dzięki temu badacze dowiadują się, że pod niektórymi malowidłami kryją się inne obrazy.

23. MARIA w NCBJ: Czy możemy cię wyszkolić?

Dział Edukacji i Szkoleń NCBJ od ponad 20 lat zajmuje się m. in. organizacją szkoleń o różnej tematyce, przede wszystkim z zakresu fizyki jądrowej. Przemysł jądrowy wymaga ogromnej wiedzy i kompetencji w dziedzinie technologii jądrowych i bezpieczeństwa radiologicznego, dlatego kształcenie zawodowe i specjalistyczne szkolenia są niezwykle istotne. Zajęcia prowadzone w ramach szkoleń organizowanych przez zespół DEiS umożliwiają zdobycie praktycznych umiejętności dzięki wykorzystaniu infrastruktury badawczej Instytutu. Taka forma sprawia, że nowe pokolenie specjalistów z branży jądrowej będzie rozwijać tą gałąź przemysłu i dbać o jej bezpieczeństwo.

24. MARIA w NCBJ: Czy chcesz zobaczyć i zrozumieć?

Reaktor MARIA jest unikatowym urządzeniem w skali całego kraju. Choć spełnia bardzo ważną rolę i jest dokładnie monitorowane pod względem bezpieczeństwa, zwłaszcza radiologicznego, nie jest to obiekt odcięty od świata. Dział Edukacji i Szkoleń NCBJ oferuje wycieczki do Instytutu dla zorganizowanych grup, przede wszystkim grup szkolnych. Wycieczki obejmują zwiedzanie laboratoriów, jak również reaktora MARIA (ze względu na panującą nadal sytuację, wycieczki do reaktora zostały tymczasowo zawieszone), połączone z wykładami, podczas których uczestnicy poznają szczegóły dotyczące ich pracy.

Na temat reaktora MARIA, a także innych departamentów i zakładów NCBJ, jest także dostępnych wiele materiałów multimedialnych, w tym seria filmów Wirtualne Dni Otwartych Drzwi NCBJ i OJ Świerk oraz dedykowana seria filmów o reaktorze MARIA. Wszystkie te filmy, jak również wiele innych, w tym wykłady popularnonaukowe, znajdują się na kanale YouTube NCBJ. Serdecznie zapraszamy do ich oglądania i poznawania nowych faktów z życia najbardziej zapracowanej MARII w Polsce!

25. MARIA w liczbach: Jak to wygląda?

Powstanie planu wykorzystania reaktora badawczego MARIA: 1964 r.
Początek budowy: 16 czerwca 1970 r.
MARIA po raz pierwszy osiąga stan krytyczny: 18 grudnia 1974, godz. 0:17
Nominalna moc cieplna: 30 MW
Maksymalna gęstość strumienia neutronów termicznych: 3,5*10¹⁸ n/(m²*s)
Roczny czas pracy: 4000-5000 godzin
Czas trwania cyklu napromieniania: 20-300 godzin
Liczba elementów paliwowych w rdzeniu: 18-26
Maksymalna moc generowana w elemencie paliwowym: 2 MW
Maksymalna ilość energii wyprodukowana w elemencie paliwowym: 6000 MWh
Zawartość uranu-235 w paliwie: 19,75%
Ilość uranu-235 w elemencie paliwowym: 485 g
Wielkość elementu paliwowego: 1m
Liczba kanałów izotopowych: 22
Maksymalna ilość napromienianych zasobników w rdzeniu: 198 na cykl, 4500 rocznie
Głębokość basenu reaktora: 10,45 m
Grubość betonowej osłony rdzenia reaktora: 220 cm
Wielkość rdzenia reaktora: 1,5 m wysokości, 2,25 m szerokości
Wielkość basenu reaktora: dolny cylinder o średnicy 4,5 m i wysokości 5,1 m; górna część (w rzucie poziomym połączenie półkola i trapezu) o wysokości 5,35 m i promieniu półkola 3,25 m
Wielkość basenu przechowawczego: 12,35 m x 3,5 m, wysokość 6,5 m
Wysokość komina wentylacyjnego: 60 m
Ciśnienie wody w obiegu chłodzenia: 1,7 MPa
Temperatura wody w obiegu chłodzenia: 50°C na wlocie, do 85°C na wylocie
Temperatura wody w basenie reaktora: do 45°C
Maksymalna temperatura koszulki elementu paliwowego: 155°C
Liczba operatorów w sterowni reaktora: 2
Liczba techników pracujących przy reaktorze: 5 na zmianie, 50 przy bezpośredniej eksploatacji, 100 osób ogółem