Как атом стал мирным
Краткий экскурс в историю развития отечественной атомной энергетики
Практическое применение атомной энергии можно назвать технологической революцией. По сути, для середины ХХ века создание реактора — это такая же инновация, как сейчас, например, квантовый компьютер. Планы, чертежи, расчеты — многие решения нащупывались методом проб и ошибок. И если рассматривать путь атомной промышленности от первых идей до современности, то его широко можно обозначить как движение от неуправляемой цепной реакции к контролируемой, от реакторов, нарабатывающих плутоний, к энергетическим, от необходимости достижения ядерного паритета к развитию мирных ядерных и радиационных технологий.
Урановый «котел» и коробок спичек
«Сейчас нам необходимо создать урановый «котел» промышленного назначения. В нем будет происходить цепная реакция деления урана и нарабатываться плутоний — радиоактивный элемент, которого не существует в природе! Я, видимо, ребусами изъясняюсь. Ничего, скоро вы во всем этом будете прекрасно разбираться. Так вот, физика процесса нам ясна, и надо браться за инженерное решение конструкции промышленного «котла». Некоторые решения у нас имеются. Пойдемте, глянем», — с этих слов Игоря Курчатова, как вспоминал конструктор Николай Доллежаль, началась история его участия в советском атомном проекте.
На этапе проектирования выяснилось, что нерешенных вопросов много — от степени чистоты графита и необходимых характеристик металлов до предполагаемого поведения урановых блоков внутри реактора. Уже на этом этапе Доллежаль отмечал, что вырабатываемое тепло никак не использовалось и его приходилось отводить. Но больше всего ему не давала покоя возможная деформация урановых блоков внутри реактора из-за высокой температуры. Дело в том, что в первом американском реакторе, построенном итальянским физиком Энрико Ферми, были спроектированы горизонтальные каналы для загрузки уранового топлива и при деформации возникли бы проблемы с извлечением блоков и дальнейшей работоспособностью «котла». Эта мысль не выходила у Доллежаля из головы, и решить сложную конструкторскую задачу помогла неожиданная ассоциация.
«За разговором я машинально взял в руку наполовину сломанный спичечный коробок и постукивал его торцом по столу. Взгляд остановился на подпрыгивающих спичках. Где-то в глубине сознания шевельнулась неясная еще мысль. Что-то связанное с работой, с чем-то ускользающим, мучительно-саднящим… И вдруг — вспышка, озарение! Ну конечно, наш реактор требовалось развернуть на 90 градусов, поставить его, сделать не горизонтальным, а вертикальным!»
Проверять надежность вертикальной загрузки канала было негде, поэтому Николай Доллежаль вместе с коллегами приспособили для эксперимента одну из лифтовых шахт в главном корпусе института. Но итог этого озарения более чем масштабен — теперь во всех реакторах мира загрузка топлива производится вертикально.
Реактор Ф-1 в Курчатовском институте, запущенный 25 декабря 1946 года, показал эффективность конструкторских решений, и после него на Урале появился объект «А», или «Аннушка», как неформально прозвали реактор его создатели. С «Аннушки» — первого промышленного реактора по наработке оружейного плутония — началось серийное строительство похожих устройств. Появление линейки уранграфитовых реакторов можно считать первым этапом отечественного реакторостроения.
Мирные планы
Докладная записка о необходимости разработки реактора для энергетических целей была написана 31 октября 1949 года. В записке ПГУ от 28 марта 1950 года уже было выделено три направления использования атомной энергии в народном хозяйстве: 1) применение тепла ядерных реакций для выработки электроэнергии и силовых установок кораблей и самолетов; 2) применение излучений радиоактивных изотопов; 3) использование атомных взрывов для строительных целей [1]. А в мае того же года выходит Постановление Совета Министров СССР № 2030-788 «О научно-исследовательских, проектных и экспериментальных работах по использованию атомной энергии для мирных целей» [2]. И уже через четыре года, 26 июня 1954-го, состоялся пуск первой в мире атомной электростанции в Обнинске с реактором АМ-1. «Первую АЭС пускала не моя смена, но при историческом событии мы присутствовали, все видели своими глазами — стояли в дверях зала управления. И знаменитые слова Курчатова «С легким паром!» слышали тоже. Пар пустили на турбину 26 июня в шестом часу вечера, а я входил в состав следующей, вечерней смены», — вспоминал Лев Кочетков, пришедший на работу в Лабораторию «В» (современное название — ФЭИ) в 1952 году. В научной статье 1956 года директор Дмитрий Блохинцев и его соавторы — Николай Доллежаль и Андрей Красин — делают вывод о том, что «графито-водный реактор с немного обогащенным ураном, основанный на конструктивных узлах и элементах, испытанных в работе на первой атомной электростанции АН СССР, обладает серьезными положительными качествами и может быть использован в большой промышленной атомной электростанции».
Первый двухцелевой энергетический
Реактор ЭИ-2 изначально проектировали как двухцелевой: после пуска первой в мире АЭС в 1954 году было принято решение о строительстве реакторов, производящих плутоний и параллельно вырабатывающих электроэнергию. Идея о том, что вырабатываемое тепло можно использовать, нашла свою реализацию. Практически одновременно в НИИ-8 (современное название — НИКИЭТ им. Н. А. Доллежаля) начались проектные работы по созданию реакторов ЭИ-2 и АДЭ. ЭИ-2 расшифровывался как «энергетический изотопный второй». Неформальное имя «Энергетический Иван», которое дали реактору, не прижилось и широко не использовалось.
Чем же отличалась конструкция ЭИ-2 от реакторов типа «Аннушки»? В качестве топлива, как и в оружейных реакторах, использовался природный, не обогащенный уран. Но для увеличения запаса реактивности, а также для выравнивания мощности по радиусу и высоте активной зоны использовались блочки из обогащенного по урану-235 металла.
Вместе с эволюцией реакторов эволюционировал и подход к работе — необходимость вырабатывать плутоний любой ценой и в сжатые сроки трансформировалась в отношение к безопасности как к базовой ценности, а культура безопасности стала формироваться как нравственная позиция личности, не допускающей нанесения своей деятельностью ущерба окружающим.
Коротко
Кроме того, было внесено несколько значительных изменений. Появился замкнутый контур отвода тепла от активной зоны реактора, то есть конструкция стала похожа на современные двухконтурные реакторы: теплоноситель первого контура нагревает в парогенераторах воду второго контура, которая превращается в пар. Пар поступает в турбогенераторы, и вырабатывается электричество. Изменения повлекли за собой необходимость применения новых конструкционных материалов для изготовления технологических каналов и оболочек твэлов. Кроме того, была разработана новая схема перегрузки реактора, которая обеспечивала герметизацию технологического канала снизу. И, наконец, появился машинный зал, в котором и происходит преобразование тепловой энергии в электрическую. Вместе с построенными чуть позже АДЭ-3, АДЭ-4 и АДЭ-5 реактор ЭИ-2 составил Сибирскую АЭС — первую промышленную АЭС в СССР общей электрической мощностью 600 МВт (мощность ЭИ-2 составляла 100 МВт).
Начальником реактора был назначен Том Николаев — опытный инженер, принимавший участие в строительстве объекта «А», реакторов АВ-3 и И-1. Именно с его именем связано понятие «культура безопасности», которое он ввел в научный оборот и в рабочую практику. Опыт работы на комбинате № 817 (ПО «Маяк») и на Сибирском химическом комбинате помог ему изменить подход к системе безопасности на АЭС, внести предложения по модернизации Курской АЭС, куда его перевели на должность главного инженера. Том Николаев всегда подчеркивал: «С реактором нужно на “вы”».
Атом в «Скале»
Как уже было отмечено, реакторы серии АДЭ начали проектироваться практически одновременно с ЭИ-2. Но история Горно-химического комбината («Горы», или «Скалы», как предприятие неформально называют до сих пор) началась с реактора АД.
В письме Анатолия Александрова Лаврентию Берии от 18 ноября 1949 года реактор обозначен как агрегат АД. Он считается первым в серии промышленных реакторов третьего поколения. Интересный лингвистический факт: видимо, авторитет Николая Доллежаля как конструктора настолько велик до сих пор, что аббревиатуру «АД» сейчас расшифровывают как «аппарат Доллежаля», и соответствующая статья существует в российской «Википедии». Но в печатных источниках эта неформальная расшифровка не зафиксирована. Проектировали установку в Горьком (сейчас — Нижний Новгород) в конструкторском бюро под руководством Игоря Африкантова (сейчас — «ОКБМ Африкантов») совместно с НИИ-8.
Принципы работы реакторов АДЭ были экспериментально апробированы на реакторе АВ-3 на комбинате № 817 (ПО «Маяк»). В протоколе С1-144 от 21 июля 1955 года приводится выступление Бориса Броховича, сообщившего о результатах размещения на аппарате АВ-3 циркуляционной установки (петля ПАВ) для испытания четырех технологических каналов из алюминиевого сплава «обратный авиаль». Испытания были признаны успешными. Второй темой обсуждения были технические характеристики аппарата ЭИ-2, и итогом совещания стало решение «одобрить проектные разработки технического проекта аппарата типа ЭИ-2 с использованием тепла для производства электроэнергии, выполненные ОКБ завода № 92 им. Сталина (сейчас — «ОКБМ Африкантов». — Примеч. ред.)», а также «рекомендовать применение проекта реактора, выполненного ОКБ завода № 92, для одного из агрегатов, подлежащих строительству в ближайшее время». По итогам протокола было дано поручение С1-144: «Приступить к разработке проектного задания установки АДЭ на комбинате № 815 с реактором 2-целевого назначения с одновременной выработкой тяжелого сплава и электроэнергии за счет сбросного тепла реактора».
Так вслед за АД на ГХК появились АДЭ-2 и АДЭ-3, и расшифровка этих аббревиатур звучит как «атомный двухцелевой энергетический», а числа обозначают порядковый номер. При этом АДЭ-3 в Северске был запущен в 1961-м, как и АДЭ-1, а реактор АДЭ-4 — в 1963-м, на год раньше, чем АДЭ-2. Но в этом случае, видимо, сыграла роль не хронология, а месторасположение реакторов.
АДЭ-2 стал первым в СССР и в мире реактором, запущенным сразу в энергетическом, а не «проточном» режиме. В комплексе с подземной АТЭЦ реактор АДЭ-2 стал единственной в мире подземной атомной электростанцией.
Первенцы промышленной энергетики
Развитие промышленной атомной энергетики в СССР шло по двум основным направлениям: уранграфитовые атомные реакторы и водо-водяные. После АМ-1 («атом мирный первый») на Обнинской АЭС начали строить реакторы АМБ-100 («атом мирный большой») и АМБ-200, составившие первую очередь Белоярской АЭС, затем появились РБМК-1000. Создание реакторов АМБ было инициировано руководством НИИ-8 (НИКИЭТ) и Лаборатории «В» (ФЭИ) в 1954 году, а через 10 лет, в апреле 1964-го, реактор АМБ-100 дал первую электроэнергию в энергосеть Урала.
Первый РМБК-1000 («реактор большой мощности канальный») заработал на Ленинградской АЭС, а все реакторы линейки ВВЭР («водо-водяной энергетический реактор») можно найти на Нововоронежской АЭС. Интересно, что один из первых эскизных проектов реактора ВВЭР-1 прозвали «Грузинским кувшином» из-за сходства по форме. Конструкция у основных типов промышленных энергетических реакторов разная. РБМК — уранграфитовые, одноконтурные; ВВЭР — корпусные, двухконтурные. На реакторах РБМК возможна частичная перегрузка топлива без остановки, а реакторы ВВЭР для загрузки нового топлива останавливают. Кроме того, реакторы РБМК способны нарабатывать медицинские изотопы — их производят на Ленинградской и Смоленской АЭС. А рядом с Калининской АЭС, включающей четыре реактора ВВЭР-1000, построили современный центр обработки данных: мощная система охлаждения на атомных станциях уже имеется, что упрощает процесс строительства и эксплуатации дата-центра.
Безопасность с плюсом
Флагманский проект «Росатома» — реактор ВВЭР-1200 поколения III+, отвечающий повышенным требованиям безопасности по сравнению с реакторами предыдущего — третьего — поколения и имеющий улучшенные технико-экономические показатели. В настоящее время успешно эксплуатируются уже шесть энергоблоков с реакторами ВВЭР-1200: в России на Нововоронежской АЭС-2 и Ленинградской АЭС-2 и в Республике Беларусь.
Безопасность современных АЭС поколения III+ обеспечивается комбинацией активных и пассивных систем безопасности, которые гарантируют высокоэшелонированную защиту даже без вмешательства человека. Эти системы взаимно дополняют друг друга, объединяя скорость и контролируемость активных систем с возможностью работы при отсутствии электропитания пассивных.
Для удержания радиоактивных материалов предусмотрены четыре барьера, которые не пропускают радиоактивные вещества в окружающую среду. Первый — это топливная матрица, предотвращающая выход продуктов деления под оболочку тепловыделяющего элемента. Второй — сама оболочка, не дающая продуктам деления попасть в теплоноситель главного циркуляционного контура. Третий — главный циркуляционный контур, препятствующий выходу продуктов деления под защитную герметичную оболочку. Четвертый — система защитных герметичных оболочек (контайнментов), исключающая выход продуктов деления в окружающую среду. Целостность каждого из барьеров защищается соответствующими системами безопасности, как активными, так и пассивными.
Замыкая цикл: от «Бориса Николаевича» до БРЕСТа
Но и это еще не все: в 1980 году на Белоярской АЭС был запущен реактор на быстрых нейтронах — БН-600. Строительство энергоблока началось в 1968 году, в 1974-м завершилось возведение главного корпуса. Но сроки строительства затягивались, и в 1978 году руководитель областного штаба стройки БН‑600, первый секретарь Свердловского обкома КПСС Борис Ельцин помог ускорить процесс: он отправил на объект колхозников в качестве подсобных рабочих. В те времена это было практически невероятно, потому что обычно все — школьники, студенты, работники производств и даже сотрудники НИИ — ежегодно сами отправлялись в колхозы «вести битву за урожай», а не наоборот. Может быть, по этой причине, как рассказывают опытные сотрудники Белоярской АЭС, реактор БН-600 иногда шутливо называли «Борисом Николаевичем».
Россия — мировой лидер в области быстрых реакторов. На Белоярской АЭС работает и более мощный БН-800 с полной загрузкой МОКС-топливом, дан старт подготовительных работ для строительства БН-1200М — это уже поколение IV ядерных энергетических систем. А в Северске строится опытно-демонстрационный комплекс с БРЕСТ-ОД-300 — первым в мире промышленным реактором со свинцовым теплоносителем. Двухкомпонентная платформа атомной энергетики, , предусматривающая совместное функционирование реакторов на тепловых и быстрых нейтронах, позволит осуществить переход к замкнутому ядерному топливному циклу, при котором отработавшее топливо перерабатывается и используется повторно, практически без образования радиоактивных отходов.
Сегодня и завтра
Сегодня на 11 АЭС России эксплуатируются 35 энергоблоков суммарной установленной мощностью свыше 28,5 ГВт:
- 22 энергоблока с реакторами типа ВВЭР (из них 4 энергоблока ВВЭР-1200, 13 энергоблоков ВВЭР-1000 и 5 энергоблоков ВВЭР-440 различных модификаций);
- 10 энергоблоков с канальными реакторами (7 энергоблоков с реакторами типа РБМК-1000 и 3 энергоблока с реакторами типа ЭГП-6);
- 2 энергоблока с реакторами на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением (БН-600 и БН-800);
- 1 плавучий энергоблок (ПЭБ) в составе 2 реакторных установок типа КЛТ-40С электрической мощностью по 35 МВт.
АЭС России вносят заметный вклад в борьбу с глобальным потеплением. Благодаря их работе ежегодно предотвращается выброс в атмосферу свыше 100 млн тонн углекислого газа.
Доля выработки электроэнергии атомными станциями в России сейчас составляет порядка 20% от всего производимого электричества. Согласно Генеральной схеме размещения объектов электроэнергетики, утвержденной правительством РФ в конце прошлого года, до 2042 года в России введут 38 атомных блоков большой, средней и малой мощности (суммарной мощностью 29,3 ГВт). Это в полной мере соответствует задаче, поставленной президентом страны, — увеличить к 2045 году долю атомной энергетики в энергобалансе до 25%.
Кроме того, «Росатом» занимает первое место в мире по числу проектов строительства АЭС за рубежом — 41 энергоблок (включая 6 энергоблоков малой мощности) в 11странах.
Журнал благодарит пресс-службу ГХК и сотрудников Центратомархива — директора Софью Великую и Зинаиду Сперанскую — за предоставленные материалы.
————————————
Список литературы:
1. К истории мирного использования атомной энергии в СССР 1944–1951: Документы и материалы. — С. 134.
2. К истории мирного использования атомной энергии в СССР 1944–1951: Документы и материалы. — С. 140.
