Значение атомной энергетики в современном мире

Атомная энергетика за последние несколько десятилетий сделала огромный шаг вперед, став одним из важнейших источников электроэнергии для многих стран. В то же время следует помнить, что за развитием данной отрасли народного хозяйства стоят огромные усилия десятков тысяч ученых, инженеров и простых рабочих, делающих все для того, чтобы «мирный атом» не превратился в реальную угрозу для миллионов людей. Настоящим стержнем любой атомной электростанции является ядерный реактор.

История создания ядерного реактора

Первое подобное устройство было построено в самый разгар второй мировой войны в США известным ученым и инженером Э. Ферми. Из-за своего необычного вида, напоминавшего стопку сложенных друг на друга графитовых блоков, этот ядерный реактор получил название «Чикагская стопка». Стоит отметить, что работало данное устройство на уране, который помещался как раз между блоками.

Создание ядерного реактора в Советском Союзе

В нашей стране ядерной тематике также уделяли повышенное внимание. Несмотря на то, что основные усилия ученых были сконцентрированы на военном применении атома, они активно использовали полученные результаты и в мирных целях. Первый ядерный реактор под кодовым обозначением Ф-1 был построен группой ученых под руководством знаменитого физика И. Курчатова в конце декабря 1946 года. Значительным его недостатком было отсутствие какой бы то ни было системы охлаждения, поэтому мощность выделяемой им энергии была крайне незначительна. В то же время советские исследователи довели до конца начатые ими работы, результатом чего стало открытие спустя всего восемь лет первой в мире электростанции на ядерном топливе в городе Обнинске.

Принцип действия реактора

Ядерный реактор представляет собой крайне сложное и опасное техническое устройство. Его принцип действия основан на том, что при распаде урана происходит выброс нескольких нейтронов, которые, в свою очередь, выбивают элементарные частицы из соседних атомов урана. В результате этой цепной реакции выделяется значительное количество энергии в виде тепла и гамма-лучей. В то же время следует учитывать тот факт, что если эту реакцию никак не контролировать, то деление атомов урана в максимально короткие сроки может привести к мощному взрыву с нежелательными последствиями.

Для того чтобы реакция протекала в строго очерченных рамках, огромное значение имеет устройство ядерного реактора. В настоящее время каждое подобное сооружение представляет собой своеобразный котел, через который протекает теплоноситель. В этом качестве обычно используется вода, однако существуют АЭС, в которых применяются жидкий графит или тяжелая вода. Современный ядерный реактор невозможно представить себе без сотен специальных кассет шестигранной формы. В них находятся тепловыделяющие элементы, по каналам которых и протекают теплоносители. Данная кассета покрыта специальным слоем, который способен отражать нейтроны и замедлять тем самым цепную реакцию

Ядерный реактор и его защита

Он имеет несколько уровней защиты. Помимо собственно корпуса, сверху его покрывает специальная теплоизоляция и биологическая защита. С инженерной точки зрения данное сооружение представляет собой мощный железобетонный бункер, двери в который закрываются максимально герметично.

В 2017 году Росатом набрал темп, убедительно доказывающий - ядерный ренессанс у нас в стране состоялся.

Мало того, наш атомный проект расширяется на новые и новые страны, заинтересованные в своем развитии, ведь энергия атома - это базовая генерация электроэнергии, это развитие науки, технологии, медицины, и даже сельского хозяйства.

Рассказывать об этом можно и нужно, но все ли помнят, как наша страна стала мировым лидером в этой отрасли? Все ли помнят, как все начиналось, кто именно покорял атом, создавал с нуля невиданные ранее технологии?

Чтобы понимать, куда и как мы движемся, надо помнить начало дороги. Аналитический онлайн-журнал Геоэнергетика.ru уже начал рассказывать об этом, но событий и имен тех, кто были первопроходцами атомной эры в СССР, было намного больше, чем описано в той статье.

25 декабря 1946 года в Лаборатории №2 (будущий Курчатовский институт) началась управляемая цепная реакция в нашем первом атомном реакторе Ф-1 - «физическом первом».

Из него, как из гоголевской «Шинели», выросли все наши реакторы - транспортные и исследовательские, «военные» и совершенно мирные.

Давайте вспомним, кто и как создавал эти технологии, как и кем была обеспечена их эволюция, как именно эволюция шла. Вспомнив, мы научимся лучше понимать свежие новости от Росатома , достигнутый уровень развития и перспективы.

«Атомные принципы»

Для начала напомним основные принципы, постулаты атомной энергетики, которые заданы не технологиями, а физическими законами - вечными и постоянными. Их не так много, их легко запомнить.

1. Основа атомной энергетики - цепная реакция деления ядер атомов урана и плутония. Масса осколков деления меньше массы материнских ядер, излишек массы превращается в энергию, которую мы и используем для своих целей. Причина начала цепной реакции - первичные свободные нейтроны, сталкивающийся на своем пути с ядрами делящихся элементов. Свободные нейтроны, образующиеся при распаде ядер урана или плутония, называются «вторичными». Чтобы реакция стала цепной, вторичных нейтронов должно быть численно столько же или больше, чем первичных;


2. Плутония не существует в природе, он образуется только внутри атомного реактора, поэтому основа атомной энергетики на сегодняшний день - уран;


3. Цепная реакция деления идет только у ядер изотопа урана 235 U, количество которого в природной руде составляет 0,7%, а 99,3% массы руды составляет основной изотоп урана 238 U, в цепной реакции участия не принимающий. Вторичные нейтроны, образующиеся при делении ядер урана-235, имеют самые разные скорости, что в атомной физике означает и «имеющие разную энергию». Аналогия простая: если швырнуть камень в окно, часть осколков стекла летит быстро, часть - медленно, и предсказать, как именно поведет себя каждый осколок - невозможно;


4. Ядра урана-235 делятся при взаимодействии с нейтронами, движущимися с любой скоростью, но быстрые нейтроны очень активно поглощаются ядрами урана-238, что может вызвать прекращение цепной реакции. При этом на медленные нейтроны уран-238 «не обращает внимания», поэтому одна из главных задач для осуществления цепной реакции - умение замедлить вторичные нейтроны. В качестве замедлителей можно использовать тяжелую или обычную воду и химически чистый графит;


5. Для того, чтобы цепная реакция была управляемой, вторичных нейтронов должно быть больше, чем первичных, всего на 2%. Если вторичных нейтронов слишком много, реакция нарастает лавинообразно и выходит из-под контроля, крайняя степень ее развития - атомный взрыв. Вторая главная задача для осуществления контролируемой цепной реакции - коэффициент размножения свободных нейтронов не должен превышать 1,02. Для этого нужны системы управления и защиты.

Вот, собственно, и все принципиальные моменты. Чтобы осуществлять цепную реакцию деления, нужно побольше урана-235; чтобы цепная реакция не затухла сама по себе, нужен тот или иной замедлитель; чтобы цепная реакция не стала слишком буйной, нужна система управления и защиты. Три постулата атомной энергетики, заданные законами природы, законами физики.

НИИ-9

Реактор Ф-1 был создан для наработки оружейного плутония, его изотопа 239 Pu - вещества, дающего значительно большую энергию при атомном взрыве, чем уран-235.

Этот изотоп образуется в результате захвата ураном-238 свободного нейтрона, реакции захвата идут постоянно, но плутоний-239 под воздействием свободных нейтронов может начать собственную цепную реакцию деления. Чтобы этого не происходило, нужно научиться определять момент, когда атомов плутония-239 нарабатывается значимое количество, но его цепная реакция еще не успела начаться.

Конструкция Ф-1 такова, что оставляла возможность в буквальном смысле этого слова выхватывать из него урановые блочки в нужное время, после чего их отправляли на «химические процедуры» для отделения плутония-239 от прочих химических веществ.

В декабре 1947 группа Зинаиды Ершовой впервые получила 73 микрограмма плутония-239. Это стало доказательством того, что Ф-1 позволял получать оружейный плутоний, которому предстояло стать зарядом нашей первой атомной бомбы. Но было очевидно, что такого количества плутония-239 слишком мало - для заряда требовалось не менее 6 кг этого грозного элемента.

Пульт управления первого российского ядерного реактора, Фото: ru.wikipedia.org

“В конце 1945 года начали выпускать уран и графит необходимого качества и в необходимых объемах” - мы уже вспоминали эту фразу, и даже начали ее расшифровывать.

Создание атомного реактора было лишь частью огромного объема проблем, которые предстояло решить для создания нашей первой атомной бомбы. В СССР до начала войны не успели изучить все проблемы, связанные с ураном - теперь предстояло сделать это в самые короткие сроки, поскольку сведения от внешней разведки о том, что США готовят все новые планы атомной бомбардировки нашей страны, поступали непрерывно.

Как находить урановые руды, как организовать работу горно-обогатительных комбинатов, как повысить содержание урана-235, как выделить плутоний, как сделать его металлом, каковы свойства этого металла - сотни вопросов, сотни проблем, решать которые предстояло с нуля.

Нам часто приходится слышать «невероятно правдивые» истории о Лаврентии Берии, но факты говорят о совсем другом облике руководителя Спецкомитета.

Зинаида Ершова, «русская мадам Кюри», выступила с инициативой о создании научного центра для решения всех перечисленных проблем - Лаврентий Павлович «взял под козырек». 8 декабря 1944 вышло постановление ГКО (Государственного Комитета Обороны) «О мероприятиях по обеспечению развития добычи и переработки урановых руд», по одному из пунктов которого в структуре НКВД началось создание НИИ по урану.

Название ему дали, разумеется, такое, которое не говорило ни о чем: «институт специальных металлов НКВД», в котором Зинаида Ершова стала начальником лаборатории радиохимии. Руководство новым институтом доверили Виктору Борисовичу Шевченко, инженер-полковнику НКВД.

Сатрап-самодур, злобный надсмотрщик над учеными? Виктор Шевченко - выпускник московского института цветных металлов и сплавов, два года работавший в этом же институте заместителем директора по научной работе, доктор технических наук, в годы войны он был главным инженером Норильского медно-никелевого комбината. Виктор Шевченко «вытащил» всю организационную работу по созданию нового НИИ, но от этого он не перестал быть блестящим профессионалом-металлургом.

Можно ли было в те годы отделить НКВД от научной работы Спецкомитета? На наш взгляд - невозможно.

В конце 1945 года Шевченко организовал при НИИ-9 Лабораторию №12, которой была поручена работа по созданию промышленного производства тяжелой воды. Неожиданное желание руководить ее работой почувствовал Макс Фольмер, который до этого был директором Института физической химии в Берлине.

Узнав об этом решении профессора, выразили активное желание работать вместе с ним доктора наук В.К. Байерль и Г.А. Рихтель.

«Лаборатория трофейных немцев» трудилась успешно, в 1955 году завод по производству тяжелой воды начал работать, а товарищ Макс Фольмер вернулся в Берлин - руководить работой АН Германской Демократической Республики. Вот попробуйте на таком примере самостоятельно разделить НКВД и научную работу, если есть желание.

Андрей Анатольевич Бочвар

Стараниями Виктора Шевченко к концу 1945 закончилось строительство первых корпусов института, 27 декабря - официальный день рождения Высокотехнологического НИИ неорганических материалов, ВНИИНМ, который теперь носит имя Андрея Анатольевича Бовчара.

К середине 1946-го в НИИ-9 было уже более полутора тысяч сотрудников, 13 лабораторий, опытные производства в Москве и в Электростали, филиал в Ленинграде. Можно ли было в таком темпе организовать такой институт без помощи НКВД? Вопрос риторический.

А.А. Бочвар

В 1946 Курчатов пригласил к участию в атомном проекте лучшего в стране металловеда - Андрея Анатольевича Бочвара. Сын создателя московской школы металловедения, первый в Союзе доктор этой науки в его 33 года, Андрей Бовчар к 1946 успел сделать в науке и в развитии цветной металлургии страны столько, что хватило бы на две биографии.

По его учебникам готовились к работе несколько поколений наших металловедов, разработанный им способ фасонного литья с кристаллизацией под давлением был востребован в самолетостроении военной поры, в 1945 Андрей Анатольевич открыл явление сверхпластичности сплавов. Звучит сложно, но объяснить, что это открытие дает - просто.

Из листов бочваровской стали под небольшим давлением можно выдувать детали сложнейших форм - как это делают стеклодувы в своих мастерских. Ни сварочных швов, ни заклепок с болтами - сферы и полусферы, сложнейшие формы, этот метод используется и сейчас.

В 1946 году Бочвар был избран действительным членом АН - с такими регалиями, с такими заслугами он имел полное право заниматься «высокой наукой» и преподавательской работой, но на предложение Курчатова откликнулся мгновенно. Важность работы и одновременно возможность стать родоначальником металловедения ядерных материалов - настоящий ученый не мог не принять участие в нашем атомном проекте.

В 1946 Бочвар возглавил в НИИ-9 лабораторию «В» - название, которое вспоминают нечасто, но ее значение для нашего атомного проекта и особенно для атомной энергетики, трудно переоценить. Список разработок, открытий, которые были сделаны сотрудниками лаборатории «В» под руководством Андрея Бовчара настолько внушителен, что мы не станем размещать его в этой статье.

Если говорить об атомном и термоядерном оружии, то скажем коротко - без работы Андрея Бовчара создать ни то, ни другое было бы невозможно.

Все, что сделано из металлического плутония - его заслуги, отмеченные двумя звездами Героя Социалистического труда и Сталинскими премиями. Cоздание первого промышленного атомного реактора без его участия тоже было бы невозможно.

Проект реактора А-1

Реактор Ф-1 создавался для того, чтобы ученые могли убедиться в самой возможности осуществления контролируемой цепной реакции деления. Ф-1 не имел системы охлаждения, для наработки плутония его выводили на мощность почти в 4 МВт, но в таком режиме он мог работать считанные минуты - реакцию приходилось прекращать, чтобы остудить реактор при помощи вентиляторов.

Ф-1 не имел биологической защиты - им управляли дистанционно, накапливая данные, необходимые для того, чтобы ее разработать. Экспериментально измеренный коэффициент размножения нейтронов для Ф-1 оказался равен 1,00075. Вот, собственно, и сложилось описание проблем, которые предстояло решить при создании промышленного реактора.

Урана требовалось больше - это обеспечивало увеличение количества нарабатываемого плутония-239. Реактору требовалась биологическая защита, гарантирующая полную безопасность персонала. Реактору требовалась система охлаждения, чтобы исчез режим «полчаса работы + несколько часов работы вентиляторов».

Нужна была и промышленная переработка урановых блоков - не лабораторного, а заводского масштаба. Обратите внимание на то, что и в Ф-1 и в А-1 использовался природный уран, не обогащенный по содержанию изотопа-235. Разработка технологии обогащения еще не была закончена, да и не было в этом критической необходимости - целью было получение плутония-239.

Фотографии, рисунки, чертежи атомных реакторов не так уж и редко появляются на страницах СМИ, реакторы становятся «героями» документальных фильмов - наверняка вы, уважаемые читатели, встречались с этими изображениями неоднократно.

На всех реактор имеет вертикальное расположение - сверху вниз направлены ТВС и твэлы, стержни управления и защиты, снизу вверх движется теплоноситель. Простой вопрос: если Ф-1 имел горизонтальную конструкцию, то когда и почему появилась вертикаль?

Это изменение, кажущееся нам сейчас совершенно естественным - «придумка» замечательного ученого, конструктора, Инженера с большой буквы, которому мы во многом обязаны становлением атомной энергетики.

Николай Антонович Доллежаль, которого многие энциклопедии величают «ученым-энергетиком, конструктором ядерных реакторов». Это, конечно, соответствует истине, но это только часть правды - энциклопедии очень лихо пропускают первые 50 лет жизни этого удивительного человека.

Главный конструктор

Николай Антонович родился в 1899 году в семье инженера-путейца Антона Фердинандовича Доллежаля (чеха по происхождению), с 1912 семья обосновалась в Подольске. После реального училища, в 1917 году, Николай поступил на механический факультет МВТУ.

Отец Николая был убежден, что без работы руками, без чувства металла его сын не станет настоящим инженером, потому Николай без отрыва от учебы работал в депо, на паровозо-ремонтном заводе, в КБ при нем же. В 1923 году он получил диплом, следующие пять лет работал в проектных организациях, в 1929-1930 проходил стажировку в европейских странах, после чего полтора года провел под следствием - искали его связи с «Промышленной партией».

Искали, но не нашли, и уже в 1932 Николай Доллежаль занял пост заместителя главного инженера ОКБ №8 технического отдела ОГПУ, в 1933 стал заместителем директора по технической части «Гипроазотмаша» и одновременно - заведующим кафедрой химического машиностроения в Ленинградском политехе.

Так карьера конструктора-проектировщика и шла - Доллежаль был главным инженером завода «Большевик», Главхиммаша, тогда еще только строившегося «Уралмаша». Теплоэнергетика, компрессоростроение, химическая промышленность - такой диапазон был доступен только специалисту с огромным объемом знаний, с мышлением изобретателя, с «встроенным» стремлением к совершенствованию найденных решений.

Николай Антонович Доллежаль, Фото: biblioatom.ru

В 1943 настала пора проявить еще и организаторские способности - Николай Антонович возглавил НИИ химического машиностроения. Этот НИИ стал совершенно нетипичным научным учреждением - под руководством Доллежаля в нем сложился целый комплекс научно-исследовательских и проектно-конструкторских подразделений, да еще и с очень серьезными экспериментальной и производственной базами.

Сами разработали, сами спроектировали, сами проверили первые образцы и сами же наладили промышленное производство - «механизм», который потребовался в 1946 году в нашем атомном проекте. Игорь Курчатов имел хорошее чутье на такого уровня специалистов - именно он пригласил Николая Доллежаля к участию в работах над конструкцией первого промышленного реактора в январе 1946-го:

«Нам необходимо в кратчайший срок создать урановый котел промышленного назначения. Вы умеете работать на уровне молекул - теперь предстоит освоить атомный»

Ровно одного месяца хватило Николаю Доллежалю на то, чтобы полностью войти в курс того, чем занималась лаборатория №2 - уже в феврале 1946-го он предложил «развернуть» реактор из горизонтали в вертикаль, и Игорь Курчатов целиком и полностью согласился с решением «атомного новобранца».

Но, как и при создании любого другого сложного технического оборудования, научный руководитель и конструктор - это еще не все специалисты, которые обеспечивают разработку проекта.

Те из вас, кто связан с промышленным производством, без труда назовут еще одного специалиста, чья компетенция необходима в таких случаях - главный технолог.

Именно ему научный руководитель вручает техническое задание, исходя из требований которого технолог вместе с конструктором и разрабатывают каждый узел комплекса, каждый отдельный его механизм, продумывают их соединение в единое целое. Игорь Курчатов тогда же, в январе 1946-го, принял решение о том, кому можно поручить такую ответственную работу.

Главный технолог

Этим человеком стал Владимир Иосифович Меркин - 32-летний сотрудник Лаборатории №2, который, несмотря на возраст, с 1944 года был заведующим сектором №6, где разрабатывал один из способов перевода плутониевого заряда будущей бомбы в надкритичное состояние.

Взрыв происходит при превышении определенной массы плутония в определенном объеме некоторой критической величины, для чего достаточно приблизить друг к другу нескольких частей боевого заряда, каждая из которых имеет массу меньше критической. Но сближение это должно происходить с максимальной скоростью, чтобы взрыв произошел одновременно во всем объеме заряда.

Один из возможных способов - «пушечный», когда две части плутониевого заряда в буквальном смысле выстреливаются друг на встречу другу при помощи специально рассчитанных взрывов. Сектор №6 должен был решить проблему синхронизации этих двух вспомогательных взрывов с точностью в 0,0001 секунды при начальной скорости летящих частей 1’500 м/с.

Почему такая ответственная работа была поручена именно Владимиру Меркину? В 1939 году Меркин окончил Московский институт химического машиностроения, сразу после этого стал сотрудником ГСПИ-3, в котором занимался усовершенствованием систем дымовых завес для маскировки кораблей ВМФ.

В годы войны Василий Иосифович был переведен в ЦКБ-114, где разрабатывал новые огнеметы для нужд армии. Разработки были удачны - несколько видов огнеметов были запущены в промышленное производство, сыграли определенную роль в первые годы войны, за них в 1942 году Меркин был удостоен Сталинской премии второй степени.

Директор завода синтетического каучука В.В. Гончаров, с которым Меркин весьма тесно сотрудничал, рекомендовал в 1943 году Курчатову молодого талантливого инженера. После собеседования с руководителем Лаборатории №2 Меркина в считанные дни демобилизовали из армии и перевели в распоряжение Игоря Васильевича.

Как и многие специалисты того времени, Владимир Меркин и его сотрудники сумели в очень сжатые сроки переключиться на решение совершенно новых задач.

Проект первого промышленного реактора стал для Меркина началом большого пути - под его руководством были созданы еще несколько реакторов для наработки оружейного плутония, затем последовали проекты первого в СССР исследовательского водно-водяной реактора ВВР-2, реакторов для подводных лодок и первого атомного ледокола «Ленин», создание атомной летающей лаборатории на борту самолета Ту-95М, исследования газоохлаждаемых реакторов.

Но это все было позже, а в 1946 году Меркин стал участником квартета «научный руководитель - главный технолог - генеральный конструктор - металловед»:

Курчатов - Меркин - Доллежаль - Бочвар

«Охлаждать будем при помощи проточной воды, иначе обеспечить время непрерывной работы реактора, требуемое Игорем Васильевичем, невозможно». «Ясно, компрессор смонтируем сами, но уран не должен соприкасаться с водой». «Понятно, вот сплав оболочки, который выдержит температуру и радиацию».

«Владимир Иосифович требует, чтобы вода через активную зону шла со скоростью 2’500 тонн в час». «Понятно - вот сплав, который выдержит радиацию, давление и температуру и не будет подвержен коррозии».

«По техническому заданию будем ставить 26 стержней системы защиты и управления». «Да, вот сплав для технических каналов». «Игорь Васильевич дал сведения по биологической защите, для верхнего, нижнего и бокового защитного слоев будет использоваться вот такой сплав, весит вот столько - Николай, рассчитывайте конструкцию».

«Андрей Анатольевич, если у Николая Антоновича все рассчитано верно, вам предстоит добывать плутоний из 83’000 урановых блоков, рассчитывайте мощности переработки»…

При этом вычислительная аппаратура для решения всех этих задач - бумага в клеточку, логарифмическая линейка и арифмометр. Вопрос для тех, кто обладает развитым воображением - а какие достижения были бы по плечу группам Курчатова, Меркина, Бовчара и Доллежаля, будь в их распоряжении … ну, например, процессоры, стоящие в наших с вами домашних компьютерах и в телефонах?..

Общая схема реактора А-1, Рис.: economics.kiev.ua

Тепловая мощность - 100 Мвт, диаметр и высота активной зоны - 9,2 м, 150 тонн урана, 1’050 тонн графита. Общее количество урановых блоков - 83’000, по 74 блока на один технологический канал, которых в А-1 (такое наименование получил первый промышленный реактор, физики и инженеры ласково называли его «Аннушкой») 1’150 штук.

Отметим существенную деталь — температура воды на выходе из реактора составляла всего 85-90 градусов.

«Маяк»

В конце 1945 года было определено место, в котором предстояло сооружать целый комплекс зданий и сооружений - промышленный реактор, цеха химической переработки облученных урановых блоков, металлургические подразделения, помещения для химической очистки воды, электрическая подстанция, жилые дома для персонала и многое другое.

Место это известно всем, кто знаком с нашим атомным проектом - рядом с озером Кызыл-Таш на Южном Урале, в Челябинской области. Сейчас это город Озерск и промышленное объединение «Маяк», чья история заслуживает не одной, а множества статей.

Ответственным за строительство объекта 817 был назначен НКВД, головной организацией - «Челябметаллургстрой». 24 ноября 1945 года на строительной площадке был забит первый колышек, который стал стартом для грандиозного строительства, а в апреле 1946 был утвержден генеральный план.

Самым сложным оказался этап земляных работ при рытье котлована под реактор - проект еще не был закончен, все приходилось уточнять буквально на ходу. Сказывался и режим сверхсекретности - механизация земляных работ была минимальной, почти все приходилось делать вручную.

В сентябре 1946, когда началось рытье котлована, его планировали размерами 80 х 80 х 8 метров, а после всех уточнений глубина была увеличена до 53 метров. 340 тысяч кубометров грунта почти вручную, в зимний период 1946-47 годов, после 30 метров начался слой скальных пород - титаническая работа, на которой было занято 11’000 землекопов.

В июле 1947 года завершили бетонные работы, при этом впервые в качестве наполнителя бетона использовали железную руду - для повышения уровня биологической защиты.

Тогда же приказом Лаврентия Берии директором создаваемого комбината был назначен Ефим Павлович Славский, будущий глава министерства Среднего машиностроения, на должность главного инженера - Владимир Меркин.

Ефим Славский, который имел возможность напрямую обращаться к Лаврентию Берии, смог увеличить темп работ, для чего пришлось расширять и расширять жилые постройки - к концу 1947 года, когда одновременно шли строительство и монтаж оборудования, на площадке работало 60 тысяч человек.

Старт

Здание реактора закончили в конце 1947 года, монтаж начался сразу же. 1 июня 1948 года строительство реактора А-1, на сооружение которого потребовалось 5’000 тонн металлоконструкций и оборудования, 230 км трубопроводов, 165 км электрокабелей, 5’745 единиц арматуры и 3’800 приборов, было завершено.

Загрузка реактора графитом и ураном началась — да, правильно, 1 июня 1948 года, времени на передышки не было. Загрузку начали в 08:50 первого июня, в 23:15 седьмого июня на свое место лег последний, 36-й по счету, слой графита.

В 00 часов 30 минут 8 июня Игорь Васильевич Курчатов встал к пульту управления и осуществил физический пуск нашего первого промышленного атомного реактора. Реактор начал набирать мощность и хорошо поддавался регулированию, к утру Курчатов передал пульт управления дежурному персоналу, оставив запись в журнале:

«Начальникам смен! Предупреждаю, что в случае останова воды будет взрыв. Поэтому аппарат без воды нельзя оставлять ни при каких обстоятельствах. И.В. Курчатов»

На мощности 10 кВт была проведена проверка физических характеристик реактора, системы управления и защиты. Получив доклады о полной готовности, Курчатов отдал приказ на подъем мощности реактора до проектного уровня, которая была достигнута 19 июля в 12:45.

С этой датой связано начало производственной деятельности комбината 817, затем «Химического завода им. Д.И. Менделеева», затем «Предприятия п/я 21», затем «Химкомбината «Маяк» и только потом - Производственного объединения «Маяк».

Началась непрерывная круглосуточная работа объекта - с большими и малыми проблемами, решать которые приходилось буквально на ходу. Неожиданные явления коррозии, радиационное распухание графита и урановых блоков, сбои в водоснабжении технологических каналов и множество других инцидентов, предвидеть которые было невозможно.

Но персонал комбината раз за разом решал все проблемы, налаживая, модернизируя, исправляя, ремонтируя. Плутоний, наработанный на А-1 и стал в руках специалистов из группы Юлия Харитона боевым зарядом нашей первой атомной бомбы, РДС-1.

Инженеры и конструкторы получили огромный опыт, что позволило строить новые «военные» реакторы. В годы холодной войны и наиболее напряженной работы «Маяка» здесь одновременно работали 10 реакторов, сюда же прибывал на переработку уран из Северска и Железногорска.

Сам реактор А-1, который по плану должен был проработать три года, продержался чуть дольше — 39 лет, в 13 раз превысив любые гарантии, остановлен он был только в 1987 году.

Военные нужды - двигатель прогресса

Атомная энергия покорялась, осваивалась именно в оборонительных целях, но ученые, конструкторы, технологи, инженеры, собранные в огромный коллектив Спецпроекта, никогда не считали, что работают только и исключительно ради этого.

Да, перед ними поставили необходимость решить важнейшую задачу, от скорости и точности решения без всяких натяжек зависело физическое выживание страны. Но, открывая новые и новые тайны атома, его удивительные свойства, наши ученые видели, насколько полезной может стать атомная энергия в совершенно мирных целях.

Прошло совсем немного времени - и те же люди, которые создали самое грозное, самое могущественное оружие, стали создавать мирную атомную энергетику.

Игорь Курчатов стал тем человеком, который протащил, протолкнул через все властные структуры идею о создании АЭС, Владимир Меркин и Николай Доллежаль разрабатывали энергетические реакторы, Андрей Бовчар «сочинял» фантастические по свойствам сплавы, которые требовались для материалов твэлов, ТВС, корпусов реакторов.

Мы вспомнили только часть тех, кого по праву называем творцами нашего мирного атомного проекта, но и рассказали только о самых первых шагах его развития.

Тема следующей статьи будет логическим продолжением этой, если мы присмотримся к тому, что не было реализовано на реакторе А-1.

На выходе из реактора охлаждающая его вода имела совсем небольшую температуру - всего 85-90 градусов, в качестве сырья использовался природный уран, не обогащенный по составу изотопа-235.

Как связаны между собой эти факты, как наши атомщики сумели эту связь найти и реализовать - вот об этом в следующий раз.

Б. Марцинкевич

Цепная реакция деления всегда сопровождается выделением энергии огромной величины. Практическое использование этой энергии – основная задача ядерного реактора.

Ядерный реактор – это устройство, в котором осуществляется контролируемая, или управляемая, ядерная реакция деления .

По принципу работы ядерные реакторы делят на две группы: реакторы на тепловых нейтронах и реакторы на быстрых нейтронах.

Как устроен ядерный реактор на тепловых нейтронах

В типичном ядерном реакторе имеются:

• Активная зона и замедлитель;
• Отражатель нейтронов;
• Теплоноситель;
• Система регулирования цепной реакции, аварийная защита;
• Система контроля и радиационной защиты;
• Система дистанционного управления.

1 - активная зона; 2 - отражатель; 3 - защита; 4 - регулирующие стержни; 5 - теплоноситель; 6 - насосы; 7 - теплообменник; 8 - турбина; 9 - генератор; 10 - конденсатор.

Активная зона и замедлитель

Именно в активной зоне и протекает контролируемая цепная реакция деления.

Большинство ядерных реакторов работает на тяжёлых изотопах урана-235. Но в природных образцах урановой руды его содержание составляет всего лишь 0,72%. Этой концентрации недостаточно для того, чтобы цепная реакция развивалась. Поэтому руду искусственно обогащают, доводя содержание этого изотопа до 3%.

Делящееся вещество, или ядерное топливо, в виде таблеток помещается в герметично закрытые стержни, которые называются ТВЭЛы (тепловыделяющие элементы). Они пронизывают всю активную зону, заполненную замедлителем нейтронов.

Зачем нужен замедлитель нейтронов в ядерном реакторе?

Дело в том, что рождающиеся после распада ядер урана-235 нейтроны имеют очень высокую скорость. Вероятность их захвата другими ядрами урана в сотни раз меньше вероятности захвата медленных нейтронов. И если не уменьшить их скорость, ядерная реакция может затухнуть со временем. Замедлитель и решает задачу снижения скорости нейтронов. Если на пути быстрых нейтронов разместить воду или графит, их скорость можно искусственно снизить и увеличить таким образом число захватываемых атомами частиц. При этом для цепной реакции в реакторе понадобится меньшее количество ядерного топлива.

В результате процесса замедления образуются тепловые нейтроны , скорость которых практически равна скорости теплового движения молекул газа при комнатной температуре.

В качестве замедлителя в ядерных реакторах используется вода, тяжёлая вода (оксид дейтерия D 2 O ), бериллий, графит. Но наилучшим замедлителем является тяжелая вода D 2 O.

Отражатель нейтронов

Чтобы избежать утечки нейтронов в окружающую среду, активную зону ядерного реактора окружают отражателем нейтронов . В качестве материала для отражателей часто используют те же вещества, что и в замедлителях.

Теплоноситель

Тепло, выделяющееся во время ядерной реакции, отводится с помощью теплоносителя. В качестве теплоносителя в ядерных реакторах часто используют обычную природную воду, предварительно очищенную от различных примесей и газов. Но поскольку вода закипает уже при температуре 100 0 С и давлении 1 атм, то для того чтобы повысить температуру кипения, повышают давление в первом контуре теплоносителя. Вода первого контура, циркулирующая через активную зону реактора, омывает ТВЭЛы, нагреваясь при этом до температуры 320 0 С. Далее внутри теплообменника она отдаёт тепло воде второго контура. Обмен проходит через теплообменные трубки, поэтому соприкосновения с водой второго контура не происходит. Это исключает попадание радиоактивных веществ во второй контур теплообменника.

А далее всё происходит так, как на тепловой электростанции. Вода во втором контуре превращается в пар. Пар вращает турбину, которая приводит в движение электрогенератор, который и вырабатывает электрический ток.

В тяжеловодных реакторах теплоносителем служит тяжёлая вода D 2 O, а в реакторах с жидкометаллическими теплоносителями - расплавленный металл.

Система регулирования цепной реакции

Текущее состояние реактора характеризует величина, называемая реактивностью.

ρ = ( k -1)/ k ,

k = n i / n i -1 ,

где k – коэффициент размножения нейтронов,

n i - количество нейтронов следующего поколения в ядерной реакции деления,

n i -1 , - количество нейтронов предыдущего поколения в этой же реакции.

Если k ˃ 1 , цепная реакция нарастает, система называется надкритическо й. Если k < 1 , цепная реакция затухает, а система называется подкритической . При k = 1 реактор находится в стабильном критическом состоянии , так как число делящихся ядер не меняется. В этом состоянии реактивность ρ = 0 .

Критическое состояние реактора (необходимый коэффициент размножения нейтронов в ядерном реакторе) поддерживается перемещением регулирующих стержней . В материал, из которого они изготовлены, входят вещества-поглотители нейтронов. Выдвигая или вдвигая эти стержни в активную зону, контролируют скорость реакции ядерного деления.

Система управления обеспечивает управление реактором при его пуске, плановой остановке, работе на мощности, а также аварийную защиту ядерного реактора. Это достигается изменением положения управляющих стержней.

Если какой-нибудь из параметров реактора (температура, давление, скорость нарастания мощности, расход топлива и др.) отклоняется от нормы, и это может привести к аварии, в центральную часть активной зоны сбрасываются специальные аварийные стержни и происходит быстрое прекращение ядерной реакции.

За тем, чтобы параметры реактора соответствовали нормам, следят системы контроля и радиационной защиты .

Для защиты окружающей среды от радиоактивного излучения реактор помещают в толстый бетонный корпус.

Системы дистанционного управления

Все сигналы о состоянии ядерного реактора (температуре теплоносителя, уровне излучения в разных частях реактора и др.) поступают на пульт управления реактора и обрабатываются в компьютерных системах. Оператор получает всю необходимую информацию и рекомендации по устранению тех или иных отклонений.

Реакторы на быстрых нейтронах

Отличие реакторов этого типа от реакторов на тепловых нейтронах в том, что быстрые нейтроны, возникающие после распада урана-235 не замедляются, а поглощаются ураном-238 с последующим превращением его в плутоний-239. Поэтому реакторы на быстрых нейтронах используют для получения оружейного плутония-239 и тепловой энергии, которую генераторы атомной станции преобразуют в электрическую энергию.

Ядерным топливом в таких реакторах служит уран-238, а сырьём уран-235.

В природной урановой руде 99,2745 % приходятся на долю урана-238. При поглощении теплового нейтрона он не делится, а становится изотопом урана-239.

Через некоторое время после β-распада уран-239 превращается в ядро нептуния-239:

239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 e

После второго β-распада образуется делящийся плутоний-239:

239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e

И, наконец, после альфа-распада ядра плутония-239 получают уран-235:

239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 He

ТВЭЛы с сырьём (обогащённым ураном-235) располагаются в активной зоне реактора. Эта зона окружена зоной воспроизводства, которая представляет собой ТВЭЛы с топливом (обедненным ураном-238). Быстрые нейтроны, вылетающие из активной зоны после распада урана-235, захватываются ядрами урана-238. В результате образуется плутоний-239. Таким образом, в реакторах на быстрых нейтронах производится новое ядерное топливо.

В качестве теплоносителей в ядерных реакторах на быстрых нейтронах применяют жидкие металлы или их смеси.

Классификация и применение ядерных реакторов

Основное применение ядерные реакторы нашли на атомных электростанциях. С их помощью получают электрическую и тепловую энергию в промышленных масштабах. Такие реакторы называют энергетическими .

Широко используются ядерные реакторы в двигательных установках современных атомных подводных лодок, надводных кораблей, в космической технике. Они снабжают электрической энергией двигатели и называются транспортными реакторами .

Для научных исследований в области ядерной физики и радиационной химии используют потоки нейтронов, гамма-квантов, которые получают в активной зоне исследовательских реакторов. Энергия, вырабатываемая ими, не превышает 100 Мвт и не используется в промышленных целях.

Мощность экспериментальных реакторов ещё меньше. Она достигает величины лишь нескольких кВт. На этих реакторах изучаются различные физические величины, значение которых важно при проектировании ядерных реакций.

К промышленным реакторам относят реакторы для получения радиоактивных изотопов, используемых для медицинских целей, а также в различных областях промышленности и техники. Реакторы для опреснения морской воды также относятся к промышленным реакторам.

Первый Ядерный реактор построен в декабре 1942 в США под руководством Э. Ферми . В Европе первый Ядерный реактор пущен в декабре 1946 в Москве под руководством И. В. Курчатова . К 1978 в мире работало уже около тысячи Ядерный реактор различных типов. Составными частями любого Ядерный реактор являются: активная зона с ядерным топливом , обычно окруженная отражателем нейтронов, теплоноситель , система регулирования цепной реакции, радиационная защита, система дистанционного управления (рис. 1 ). Основной характеристикой Ядерный реактор является его мощность. Мощность в 1 Мв соответствует цепной реакции, в которой происходит 3·10 16 актов деления в 1 сек.
Устройство энергетических ядерных реакторов.

Энергетический ядерный реактор - это устройство в котором осуществляется управляемая цепная реакция деления ядер тяжелых элементов, а выделяющаяся при этом тепловая энергия отводится теплоносителем. Главным элементом ядерного реактора является активная зона. В нем размещается ядерное топливо и осуществляется цепная реакция деления. Активная зона представляет собой совокупность определенным образом размещенных тепловыделяющих элементов, содержащих ядерное топливо. В реакторах на тепловых нейтронах используется замедлитель. Через активную зону прокачивается теплоноситель, охлаждающий тепловыделяющие элементы. В некоторых типах реакторов роль замедлителя и теплоносителя выполняет одно и то же вещество, например обычная или тяжелая вода.

Схема гомогенного реактора: 1-корпус реактора, 2-активная зона, 3 компенсатор объема, 4-теплообменник, 5-выход пара, 6-вход питательной воды, 7-циркуляционный насос

Для управления работой реактора в активную зону вводятся регулирующие стержни из материалов, имеющих большое сечение поглощения нейтронов. Активная зона энергетических реакторов окружена отражателем нейтронов - слоем материала замедлителя для уменьшения утечки нейтронов из активной зоны. Кроме того, благодаря отражателю происходит выравнивание нейтронной плотности и энерговыделения по объему активной зоны, что позволяет при данных размерах зоны получить большую мощность, добиться более равномерного выгорания топлива, увеличить продолжительность работы реактора без перегрузки топлива и упростить систему теплоотвода. Отражатель нагревается за счет энергии замедляющихся и поглощаемых нейтронов и гамма-квантов, поэтому предусматривается его охлаждение. Активная зона, отражатель и другие элементы размещаются в герметичном корпусе или кожухе, обычно окруженном биологической защитой.

В активной зоне Ядерный реактор находится ядерное топливо, протекает цепная реакция ядерного деления и выделяется энергия. Состояние Ядерный реактор характеризуется эффективным коэффициентом Кэф размножения нейтронов или реактивностью r:

R = (К ¥ - 1)/К эф. (1)

Если К эф > 1, то цепная реакция нарастает во времени, Ядерный реактор находится в надкритичном состоянии и его реактивность r > 0; если К эф < 1 , то реакция затухает, реактор - подкритичен, r < 0; при К ¥ = 1, r = 0 реактор находится в критическом состоянии, идёт стационарный процесс и число делений постоянно во времени. Для инициирования цепной реакции при пуске Ядерный реактор в активную зону обычно вносят источник нейтронов (смесь Ra и Be, 252 Cf и др.), хотя это и не обязательно, т. к. спонтанное деление ядер урана и космические лучи дают достаточное число начальных нейтронов для развития цепной реакции при К эф > 1.

В качестве делящегося вещества в большинстве Ядерный реактор применяют 235 U. Если активная зона, кроме ядерного топлива (природный или обогащенный уран), содержит замедлитель нейтронов (графит, вода и другие вещества, содержащие лёгкие ядра, см. Замедление нейтронов ), то основная часть делений происходит под действием тепловых нейтронов (тепловой реактор ). В Ядерный реактор на тепловых нейтронах может быть использован природный уран, не обогащенный 235 U (такими были первые Ядерный реактор). Если замедлителя в активной зоне нет, то основная часть делений вызывается быстрыми нейтронами с энергией x n > 10 кэв (быстрый реактор ). Возможны также реакторы на промежуточных нейтронах с энергией 1-1000 эв.

Условие критичности Ядерный реактор имеет вид:

К эф = К ¥ × Р = 1 , (1)

Где 1 - Р - вероятность выхода (утечки) нейтронов из активной зоны Ядерный реактор, К ¥ - коэффициент размножения нейтронов в активной зоне бесконечно больших размеров, определяемый для тепловых Ядерный реактор так называемой «формулой 4 сомножителей»:

К ¥ = neju. (2)

Здесь n - среднее число вторичных (быстрых) нейтронов, возникающих при делении ядра 235 U тепловыми нейтронами, e - коэффициент размножения на быстрых нейтронах (увеличение числа нейтронов за счёт деления ядер, главным образом ядер 238 U, быстрыми нейтронами); j - вероятность того, что нейтрон не захватится ядром 238 U в процессе замедления, u - вероятность того, что тепловой нейтрон вызовет деление. Часто пользуются величиной h = n/(l + a), где a - отношение сечения радиационного захвата s р к сечению деления s д.

Условие (1) определяет размеры Ядерный реактор Например, для Ядерный реактор из естественного урана и графита n = 2,4. e » 1,03, eju » 0,44, откуда К ¥ =1,08. Это означает, что для К ¥ > 1 необходимо Р<0,93, что соответствует (как показывает теория Ядерный реактор) размерам активной зоны Ядерный реактор ~ 5-10 м. Объём современного энергетического Ядерный реактор достигает сотен м 3 и определяется главным образом возможностями теплосъёма, а не условиями критичности. Объём активной зоны Ядерный реактор в критическом состоянии называется критическим объёмом Ядерный реактор, а масса делящегося вещества - критической массой. Наименьшей критической массой обладают Ядерный реактор с топливом в виде растворов солей чистых делящихся изотопов в воде и с водяным отражателем нейтронов. Для 235 U эта масса равна 0,8 кг , для 239 Pu - 0,5 кг . Наименьшей критической массой обладает 251 Cf (теоретически 10 г). Критические параметры графитового Ядерный реактор с естественным ураном: масса урана 45 т , объём графита 450 м 3 . Для уменьшения утечки нейтронов активной зоне придают сферическую или близкую к сферической форму, например цилиндр с высотой порядка диаметра или куб (наименьшее отношение поверхности к объёму).

Величина n известна для тепловых нейтронов с точностью 0,3% (табл. 1). При увеличении энергии x n нейтрона, вызвавшего деление, n растет по закону: n = n t + 0,15x n (x n в Мэв ), где n t соответствует делению тепловыми нейтронами.

Табл. 1. - Величины n и h) для тепловых нейтронов (по данным на 1977)

Величина (e-1) обычно составляет лишь несколько %, тем не менее роль размножения на быстрых нейтронах существенна, поскольку для больших Ядерный реактор (К ¥ - 1) << 1 (графитовые Ядерный реактор с естественным ураном, в которых впервые была осуществлена цепная реакция, невозможно было бы создать, если бы не существовало деления на быстрых нейтронах).

Максимально возможное значение J достигается в Ядерный реактор, который содержит только делящиеся ядра. Энергетические Ядерный реактор используют слабо обогащенный уран (концентрация 235 U ~ 3-5%), и ядра 238 U поглощают заметную часть нейтронов. Так, для естественной смеси изотопов урана максимальное значение nJ = 1,32. Поглощение нейтронов в замедлителе и конструкционных материалах обычно не превосходит 5-20% от поглощения всеми изотопами ядерного топлива. Из замедлителей наименьшим поглощением нейтронов обладает тяжёлая вода, из конструкционных материалов - Al и Zr.

Вероятность резонансного захвата нейтронов ядрами 238 U в процессе замедления (1-j) существенно снижается в гетерогенных Ядерный реактор Уменьшение (1 - j) связано с тем, что число нейтронов с энергией, близкой к резонансной, резко уменьшается внутри блока топлива и в резонансном поглощении участвует только внешний слой блока. Гетерогенная структура Ядерный реактор позволяет осуществить цепной процесс на естественном уране. Она уменьшает величину О, однако этот проигрыш в реактивности существенно меньше, чем выигрыш из-за уменьшения резонансного поглощения.

Для расчёта тепловых Ядерный реактор необходимо определить спектр тепловых нейтронов. Если поглощение нейтронов очень слабое и нейтрон успевает много раз столкнуться с ядрами замедлителя до поглощения, то между замедляющей средой и нейтронным газом устанавливается термодинамическое равновесие (термализация нейтронов), и спектр тепловых нейтронов описывается Максвелла распределением . В действительности поглощение нейтронов в активной зоне Ядерный реактор достаточно велико. Это приводит к отклонению от распределения Максвелла - средняя энергия нейтронов больше средней энергии молекул среды. На процесс термализации влияют движения ядер, химические связи атомов и др.

Выгорание и воспроизводство ядерного топлива. В процессе работы Ядерный реактор происходит изменение состава топлива, связанное с накоплением в нём осколков деления (см. Ядра атомного деление ) и с образованием трансурановых элементов , главным образом изотопов Pu. Влияние осколков деления на реактивность Ядерный реактор называется отравлением (для радиоактивных осколков) и зашлаковыванием (для стабильных). Отравление обусловлено главным образом 135 Xe который обладает наибольшим сечением поглощения нейтронов (2,6·10 6 барн ). Период его полураспада T 1/2 = 9,2 ч, выход при делении составляет 6-7%. Основная часть 135 Xe образуется в результате распада 135 ](Тц = 6,8 ч ). При отравлении Кэф изменяется на 1-3%. Большое сечение поглощения 135 Xe и наличие промежуточного изотопа 135 I приводят к двум важным явлениям: 1) к увеличению концентрации 135 Xe и, следовательно, к уменьшению реактивности Ядерный реактор после его остановки или снижения мощности («йодная яма»). Это вынуждает иметь дополнительный запас реактивности в органах регулирования либо делает невозможным кратковременные остановки и колебания мощности. Глубина и продолжительность йодной ямы зависят от потока нейтронов Ф: при Ф = 5·10 13 нейтрон/см 2 × сек продолжительность йодной ямы ~ 30 ч , а глубина в 2 раза превосходит стационарное изменение К эф , вызванное отравлением 135 Xe. 2) Из-за отравления могут происходить пространственно-временные колебания нейтронного потока Ф, а значит - и мощности Ядерный реактор Эти колебания возникают при Ф> 10 13 нейтронов/см 2 × сек и больших размерах Ядерный реактор Периоды колебаний ~ 10 ч.

Число различных стабильных осколков, возникающих при делении ядер, велико. Различают осколки с большими и малыми сечениями поглощения по сравнению с сечением поглощения делящегося изотопа. Концентрация первых достигает насыщения в течение нескольких первых суток работы Ядерный реактор (главным образом 149 Sm, изменяющий К эф на 1%). Концентрация вторых и вносимая ими отрицательная реактивность возрастают линейно во времени.

Образование трансурановых элементов в Ядерный реактор происходит по схемам:

Здесь з означает захват нейтрона, число под стрелкой - период полураспада.

Накопление 239 Pu (ядерного горючего) в начале работы Ядерный реактор происходит линейно во времени, причём тем быстрее (при фиксированном выгорании 235 U), чем меньше обогащение урана. Затем концентрация 239 Pu стремится к постоянной величине, которая не зависит от степени обогащения, а определяется отношением сечений захвата нейтронов 238 U и 239 Pu. Характерное время установления равновесной концентрации 239 Pu ~ 3/ Ф лет (Ф в ед. 10 13 нейтронов/см 2 ×сек). Изотопы 240 Pu, 241 Pu достигают равновесной концентрации только при повторном сжигании горючего в Ядерный реактор после регенерации ядерного топлива.

Выгорание ядерного топлива характеризуют суммарной энергией, выделившейся в Ядерный реактор на 1 т топлива. Для Ядерный реактор, работающих на естественном уране, максимальное выгорание ~ 10 Гвт ×сут/т (тяжело-водные Ядерный реактор). В Ядерный реактор со слабо обогащенным ураном (2-3% 235 U ) достигается выгорание ~ 20-30 Гвт-сут/т. В Ядерный реактор на быстрых нейтронах - до 100 Гвт-сут/т. Выгорание 1 Гвт-сут/т соответствует сгоранию 0,1% ядерного топлива.

При выгорании ядерного топлива реактивность Ядерный реактор уменьшается (в Ядерный реактор на естественном уране при малых выгораниях происходит некоторый рост реактивности). Замена выгоревшего топлива может производиться сразу из всей активной зоны или постепенно по ТВЭЛ"ам так, чтобы в активной зоне находились ТВЭЛ"ы всех возрастов - режим непрерывной перегрузки (возможны промежуточные варианты). В первом случае Ядерный реактор со свежим топливом имеет избыточную реактивность, которую необходимо компенсировать. Во втором случае такая компенсация нужна только при первоначально с запуске, до выхода в режим непрерывной перегрузки. Непрерывная перегрузка позволяет увеличить глубину выгорания, поскольку реактивность Ядерный реактор определяется средними концентрациями делящихся нуклидов (выгружаются ТВЭЛ"ы с минимальной концентрацией делящихся нуклидов). В табл. 2 приведён состав извлекаемого ядерного топлива (в кг ) в водо-водяном реакторе мощностью 3 Гвт. Выгружается одновременно вся активная зона после работы Ядерный реактор в течение 3 лет и «выдержки» 3 лет (Ф = 3×10 13 нейтрон/см 2 ×сек). Начальный состав: 238 U - 77350, 235 U - 2630, 234 U - 20.

Табл. 2. - Состав выгружаемого топлива, кг

Чтобы понять принцип работы и устройство ядерного реактора, нужно совершить небольшой экскурс в прошлое. Атомный реактор – это многовековая воплощенная, пусть и не до конца, мечта человечества о неисчерпаемом источнике энергии. Его древний «прародитель» — костер из сухих веток, однажды озаривший и согревший своды пещеры, где находили спасение от холода наши далекие предки. Позже люди освоили углеводороды – уголь, сланцы, нефть и природный газ.

Наступила бурная, но недолгая эпоха пара, которую сменила еще более фантастическая эпоха электричества. Города наполнялись светом, а цеха – гулом невиданных доселе машин, приводимых в движение электродвигателями. Тогда казалось, что прогресс достиг своего апогея.

Все изменилось в конце XIX века, когда французский химик Антуан Анри Беккерель совершенно случайно обнаружил, что соли урана обладают радиоактивностью. Спустя 2 года, его соотечественники Пьер Кюри и его супруга Мария Склодовская-Кюри получили из них радий и полоний, причем уровень их радиоактивности в миллионы раз превосходил показатели тория и урана.

Эстафету подхватил Эрнест Резерфорд, детально изучивший природу радиоактивных лучей. Так начинался век атома, явивший на свет свое любимое дитя – атомный реактор.

Первый ядерный реактор

«Первенец» родом из США. В декабре 1942 года дал первый ток реактор, которому досталось имя его создателя — одного из величайших физиков столетия Э. Ферми. Три года спустя в Канаде обрела жизнь ядерная установка ZEEP. «Бронза» досталась первому советскому реактору Ф-1, запущенному в конце 1946 года. Руководителем отечественного ядерного проекта стал И. В. Курчатов. Сегодня в мире успешно трудятся более 400 ядерных энергоблоков.

Типы ядерных реакторов

Их основное назначение – поддерживать контролируемую ядерную реакцию, производящую электроэнергию. На некоторых реакторах производятся изотопы. Если кратко, то они представляют собой устройства, в недрах которых одни вещества превращаются в другие с выделением большого количества тепловой энергии. Это своеобразная «печь», где вместо традиционных видов топлива «сгорают» изотопы урана – U-235, U-238 и плутоний (Pu).

В отличии, к примеру, от автомобиля, рассчитанного на несколько видов бензина, каждому виду радиоактивного топлива соответствует свой тип реактора. Их два – на медленных (с U-235) и быстрых (c U-238 и Pu) нейтронах. На большинстве АЭС установлены реакторы на медленных нейтронах. Помимо АЭС, установки «трудятся» в исследовательских центрах, на атомных субмаринах и .

Как устроен реактор

У всех реакторов примерна одна схема. Его «сердце» — активная зона. Ее можно условно сравнить с топкой обычной печки. Только вместо дров там находится ядерное топливо в виде тепловыделяющих элементов с замедлителем – ТВЭЛов. Активная зона находится внутри своеобразной капсулы — отражателе нейтронов. ТВЭЛы «омываются» теплоносителем – водой. Поскольку в «сердце» очень высокий уровень радиоактивности, его окружает надежная радиационная защита.

Операторы контролируют работу установки с помощью двух важнейших систем – регулирования цепной реакции и дистанционной системы управления. Если возникает нештатная ситуация, мгновенно срабатывает аварийная защита.

Как работает реактор

Атомное «пламя» невидимо, так как процессы происходят на уровне деления ядер. В ходе цепной реакции тяжелые ядра распадаются на более мелкие фрагменты, которые, будучи в возбужденном состоянии, становятся источниками нейтронов и прочих субатомных частиц. Но на этом процесс не заканчивается. Нейтроны продолжают «дробиться», в результате чего высвобождается большая энергия, то есть, происходит то, ради чего и строятся АЭС.

Основная задача персонала – поддержание цепной реакции с помощью управляющих стержней на постоянном, регулируемом уровне. В этом его главное отличие от атомной бомбы, где процесс ядерного распада неуправляем и протекает стремительно, в виде мощнейшего взрыва.

Что произошло на Чернобыльской АЭС

Одна из основных причин катастрофы на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 года – грубейшее нарушение эксплуатационных правил безопасности в процессе проведения регламентных работ на 4-м энергоблоке. Тогда из активной зоны было одновременно выведено 203 графитовых стержня вместо 15, разрешенных регламентом. В итоге, начавшаяся неуправляемая цепная реакция завершилась тепловым взрывом и полным разрушением энергоблока.

Реакторы нового поколения

За последнее десятилетие Россия стала одним из лидеров мировой ядерной энергетики. На данный момент госкорпорация «Росатом» ведет строительство АЭС в 12 странах, где возводятся 34 энергоблока. Столь высокий спрос – свидетельство высокого уровня современной российской ядерной техники. На очереди — реакторы нового 4-го поколения.

«Брест»

Один из них – «Брест», разработка которого ведется в рамках проекта «Прорыв». Ныне действующие системы разомкнутого цикла работают на низкообогащенном уране, после чего остается большое количество отработанного топлива, подлежащего захоронению, что требует огромных затрат. «Брест» — реактор на быстрых нейтронах уникален замкнутым циклом.

В нем отработанное топливо после соответствующей обработки в реакторе на быстрых нейтронах опять становится полноценным топливом, которое можно загружать обратно в ту же установку.

«Брест» отличает высокий уровень безопасности. Он никогда не «рванет» даже при самой серьезной аварии, очень экономичен и экологически безопасен, поскольку повторно пользуется своим «обновленным» ураном. Его также невозможно использовать для наработки оружейного плутония, что открывает широчайшие перспективы по его экспорту.

ВВЭР-1200

ВВЭР-1200 – инновационный реактор поколения «3+» мощностью 1150 МВт. Благодаря своим уникальным техническим возможностям, он обладает практически абсолютной эксплуатационной безопасностью. Реактор в изобилии оснащен системами пассивной безопасности, которые сработают даже в отсутствии электроснабжения в автоматическом режиме.

Одна из них – система пассивного отведения тепла, которая автоматически активируется при полном обесточивании реактора. На этот случай предусмотрены аварийные гидроемкости. При аномальном падении давления в первом контуре в реактор начинается подача большого количества воды, содержащей бор, которая гасит ядерную реакцию и поглощает нейтроны.

Еще одно ноу-хау находится в нижней части защитной оболочки – «ловушка» расплава. Если все же в результате аварии активная зона «потечет», «ловушка» не позволит разрушиться защитной оболочке и предотвратит попадание радиоактивных продуктов в грунт.