Мирный атом в ядерной энергетике

«Я до сего времени изумляюсь, когда смотрю на атомный реактор».

Нильс Бор (Москва, 1961 г.)

В начала мая 1954 года приступили к загрузке активной зоны топливом. 1-ый полный набор ядерного горючего содержал 500 40 6 кг урана с 5-процентным обогащением ураном-235. Полтора месяца длилось тесты, и вот 26 июня 1954 года в 17 часов 45 минут пар был подан на турбину и 1-ая в мире атомная электрическая станция получила промышленную нагрузку при мощности электрогенератора 1,5 МВт. А на следующий день об этом событии сообщил ТАСС. До выхода на проектную нагрузку в 5 МВт строителям и сотрудникам станции еще в течение нескольких месяцев пришлось устранять различные внезапные трудности и небезопасные ситуации, к примеру возникновение кислорода в кладке реактора. Но равномерно работа наладилась, а собственный экспериментальный нрав 1-ая АЭС сохранила на все 48 лет эксплуатации: в центре ее активной зоны был предусмотрен особый канал для физических тестов.

Неувязка заключалась в том, что для функционирования настоящей энергетической установки, сопоставимой по мощности с термическими станциями, требовались совсем другие температурные и мощностные режимы. Чтоб перевоплотить четыре лампочки в миллионы, необходимо не просто другое количество другое качество. Нужно организовать термообмен при больших термических потоках и больших давлениях вопросы эти были слабо исследованы. Топливные элементы в активной зоне должны работать в критериях больших температур без разрушения, а конструкционные материалы выдерживать большие радиационные нагрузки. И все таки в 1950 году в СССР было принято решение о строительстве экспериментальной реакторной установки агрегата АМ (Атом Мирный). Все было засекречено, и в документах тех лет можно повстречать смешные шифрованные обозначения: уран окрестили активным полимером, нейтроны нулевыми точками, а уран-графитовый реактор оловянно-керамическим кристаллизатором.

Но время показало, что южноамериканский журналист был очень оптимистичен. Потребовались десятилетия работы, наилучшие научные разумы и сложные инженерные решения, чтоб откусить небольшой кусок от этого обширного природного пирога. Только девять лет спустя 1-ый реактор с символическим заглавием Атом мирный был подключен к мирной энергосети.

Это вышло неподалеку от Москвы, в маленьком поселке Обнинске на реке Протве, и с того времени 20 семь июня Одна тыща девятьсот 50 четыре года считается деньком рождения ядерной энергетики. Читать дальше

Окно в атомную эру

Прямой путь к овладению атомной энергией указало одно принципиальное открытие, изготовленное в Одна тыща девятьсот 30 девять году германскими физиками О. Ганом и Ф. Штрассманом. Они нашли деление ядер урана под действием нейтронов. Не прошло и месяца после того, как эта потрясающая новость достигнула всех ведущих физических лабораторий, а на конференции в Вашингтоне ученые уже полушутя-полусерьезно заговорили о высвобождении ядерной энергии (см. врезку о цепной реакции деления ядер). Но до этого было надо ответить на принципный вопрос: сколько в каждом акте деления выходит новых нейтронов? Довольно ли их для цепной реакции? Начались тщательные опыты, и в конечном итоге гипотезы подтвердились: было найдено, что при делении 1-го ядра урана высвобождается в среднем несколько нейтронов что-то порядка 1-го, 2-ух либо 3-х. Итак, предпосылки для цепной реакции были найдены. Далее выяснилось, что основной компонент природного урана уран-238 в основном поглощает нейтроны, чем делится ими. А главный делящийся компонент уран-235 составляет всего 0,7% в естественной консистенции изотопов. И хотя при делении урана-235 появляется довольно нейтронов, большая часть из их теряется напрасно, сталкиваясь с бессчетными ядрами основного изотопа. Как совладать с этой неувязкой? 1-ый тривиальный метод обогащение урановой руды и выделении незапятнанного изотопа урана-235. Но по тем временам разделение изотопов урана в промышленных масштабах было очень трудозатратным, а проще говоря, практически обреченным делом. Более того, тогда еще никто точно не знал и не мог сосчитать, сколько кг либо 10-ов (а может, и сотен) кг этого продукта пригодится для пуска цепной реакции.

2-ой путь подразумевал внедрение естественной консистенции изотопов урана и опирался на результаты опытов, которые свидетельствовали, что более медлительно парящие (так именуемые термические) нейтроны еще эффективнее делят ядра урана-235 и еще меньше поглощаются ядрами урана-238. Как следует, замедлив нейтроны, можно уменьшить паразитное поглощение и прирастить возможность деления. Замедлители тоже были известны: легкие вещества типа воды, углерода либо бериллия.

Некие ядра томных частей имеют характеристики разваливаться на части при попадании в их нейтрона. Это явление именуется принужденным делением. (Бывает еще спонтанное деление, когда ядро вдруг самопроизвольно распадается на два куска.) После деления сумма масс фрагментов оказывается меньше массы начального ядра, и эта разница в согласовании с известной формулой E=mc2 преобразуется в энергию движения. Если собрать тепло, выделяющееся при торможении передвигающихся товаров деления, можно чего-нибудть подогреть, а если процесс деления самовоспроизводится, то он идет до того времени, пока не кончатся способные к делению ядра (ядерное горючее). Не считая того освобождаются излишние нейтроны, которые тоже летят достаточно стремительно (поэтому и именуются резвыми). Если при начальном делении появляется довольно нейтронов, чтоб вызвать не одно, а несколько новых делений, число образующихся нейтронов и количество актов деления начинает нарастать, что и значит цепную реакцию. Часть образовавшихся после деления нейтронов может поглотиться другими ядрами без всякого деления, в данном случае размножения не происходит. К счастью, посреди веществ есть отличные поглотители нейтронов, дозволяющие приостановить цепную реакцию либо держать под контролем ее. Основной изотоп природного урана 238U фактически не делится, а охотно поглощает нейтроны, превращаясь при всем этом в плутоний горючее еще больше действенное, чем уран.

Так как нейтроны главные участники цепной реакции, не умопомрачительно, что опыты по сооружению первого атомного котла возглавил главный по тем временам спец по нейтронам и лауреат Нобелевской премии Энрико Ферми, который эмигрировал из фашистской Италии и работал в Колумбийском институте. Тут в 1941 году и начали строить пробную установку. В качестве замедлителя избрали обычной и доступный в огромных количествах материал углерод в форме графита. Как вспоминал Ферми, физики, покрытые темной пылью графита и окиси урана, перетаскивали многокилограммовые блоки, и, сжалившись над ними, декан дозволил нанять для этой работы студентов-футболистов. Дело пошло веселее они еще легче управлялись с упаковками уранового порошка весом по 20?40 кг. Но когда решетчатая конструкция из банок с окисью урана и приблизительно 30 т графита была в конце концов готова, результаты измерений обескуражили нейтронов было недостаточно для цепной реакции. Подвело качество материалов. Там, где каждый нейтрон на счету, неважно какая примесь, всасывающая нейтроны, сводит все усилия на нет.

Мирный атом ядерная энергетика

В 1942 году команда физиков под управлением Ферми переехала в Чикаго, в Металлургическую лабораторию, где были сконцентрированы все главные научные силы по исследованию цепной реакции. Опыты продолжились. Индустрия под давлением военных равномерно увеличивала качество поставляемого графита и обогащенного урана, и в конце концов, судя по экспериментальным данным, оно стало достаточным для воплощения цепной реакции.

Так как к октябрю 1942 года участок, приобретенный для лаборатории в Аргоннском лесу, был еще совсем не готов, строить котел решили прямо в центре огромного города на кортах для игры в сквош в спортгороде Чикагского института. Работали круглые сутки, в две смены, укладывая слои графита и урановых блоков, при этом самое высококачественное горючее как можно поближе к центру. После укладки каждого слоя проводились измерения, Ферми делал расчеты и давал указания по поводу последующего слоя. Меньше чем в месяц собрали конструкцию в форме эллипсоида размером приблизительно 3х4 метра из Триста восемьдесят 5 тонн графита и 40 6 тонн урана. В ней были изготовлены щели для древесных стержней, обитых кадмиевой жестью (кадмий очень поглощает нейтроны и может приостановить цепную реакцию). Стержни вынимали лишь на время измерений, а потом вводили в котел и запирали на висящий замок, ключи от которого были только у начальников смен.

Решающий момент наступил 2 декабря 1942 года. По расчетам было набрано довольно слоев для начала самоподдерживающейся цепной реакции. На испытании присутствовало около 40 человек. Это были приемущественно физики, собиравшие установку. На всякий случай в конструкции предусмотрели аварийные стержни довольно было просто перерезать веревку, и они падали в котел, а несколько добровольцев стояли наверху с ведрами раствора кадмиевой соли, готовые по мере надобности вылить его вовнутрь сооружения. Удалили все кадмиевые полосы, не считая одной, а потом начали равномерно выдвигать и ее. После каждого шага определяли количество нейтронов, и Ферми делал расчет на логарифмической линейке. В Два часа 20 минут дня, когда вытащили 2,5 метра полосы, интенсивность начала расти все резвее и резвее, пока не стало ясно, что она может сделаться нескончаемо большой. Тогда кадмиевые стержни возвратили на место. 1-ое испытание длилось 20 восемь минут, котел удерживали при мощности менее полуватта, чтоб свести к минимуму радиоактивное облучение, ведь никакой защиты предвидено не было. После остановки котла распили бутылку кьянти, а удачный финал испытаний робко отметили у Ферми дома (хотя супруга его так и осталась в незнании о причинах торжества). А на спортивных кортах института, там, где человеку в первый раз удалось выполнить управляемую цепную реакцию, сейчас стоит бронзовый памятник.

Оловянно-керамический кристаллизатор

Путь от первого атомного котла до атомной электростанции оказался практически в четыре раза длиннее, чем дорога к атомной бомбе. Первыми промышленными установками с управляемой цепной реакцией деления стали реакторы для получения плутония-239 (который появляется при поглощении нейтронов ураном-238). После чего пришла очередь малых энергетических установок для подводных лодок, а в 1951 году на опытнейшей американской станции в Айдахо удалось даже получить незначительно электричества его хватило, чтоб зажечь целых четыре лампочки.

В мелких частицах вещества ядрах атомов укрыта колоссальная энергия. Судите сами. В атомном реакторе, который поставляет электричество для круглосуточного свечения 10 миллионов стоваттных лампочек, за год работы исчезает всего Один килограмм ядерного горючего из нескольких 10-ов тонн. Казалось бы, вот оно энергетическое обилие. В августе 1945 года южноамериканский журналист Джон О’Нейл, воодушевленный мощью атомной бомбы, написал в одной из собственных статей: Создание атомной энергии, непременно, будет очень дешевеньким В наших автомобилях с течением времени появятся атомные энерго установки и нам не надо будет заправляться топливом В сравнимо недлинные сроки мы сможем закончить добычу угля.

Предлагалось несколько вариантов конструкции, но окончательный проект, утвержденный академиками И. В. Курчатовым и Н. А. Доллежалем, был такой: строить уран-графитовый реактор с трубчатыми тепловыделяющими элементами, где в качестве теплоносителя употребляется некипящая вода под давлением 100 атмосфер. Проектная мощность реактора 30 МВт, но не из теоретических суждений, а из-за полностью определенных событий. В то время, в критериях общего послевоенного недостатка и разрухи, даже на таких приоритетных направлениях нередко приходилось наслаждаться имеющимися ресурсами. И вот в поисках турбоагрегата в Москве натолкнулись на старенькую, снятую с эксплуатации турбину маленькой мощности порядка 6 МВт, которая полностью подходила для опытнейшей атомной станции. Свойства этой турбины и обусловили в итоге мощность ядерной установки Первой АЭС.

Весь процесс сооружения атомной станции, начиная с сентября 1951 года, представлял собой вереницу тестов и испытаний. Анализируя потенциальные аварийные ситуации, сделали вывод, что при определенных параметрах реактора самое опасное наполнение кладки водой, к примеру, при разрыве канала остывания. Тогда возрастает коэффициент размножения нейтронов, и мощность начинает нарастать. А при выключении подачи воды, напротив, цепная реакция на сто процентов прекращается. Потом оказалось, что эти расчеты испытаны самой природой: через 20 лет в Габоне нашли природный атомный реактор, работавший по такому водяному принципу.

Человек употребляет энергию атомного ядра уже 50 лет. Это до сего времени еще труднее, чем топить печку углем либо спаливать бензин в бензиновом двигателе. Внутренность ядерных электрических станций изготовлена из такого же материала, что и атомная бомба, и все эти годы нас не покидает интуитивное чувство волнения и недоверия. Может быть, еще лет через 100, когда подходят к концу обыденные источники энергии, а возобновляемой подмены им так и не найдется, у населения земли не будет другого выбора, не считая ядерной энергетики. И будучи реалистом, генеральный директор МАГАТЭ Мохаммед эль-Барадеи, выступая в июне Две тыщи четыре года на конференции в Москве, осторожно высказался так: на данный момент, когда атомная энергетика отмечает свое 50-летие, ее будущее хоть оно, может быть, и становится перспективным все таки остается неопределенным.

Путь от первого атомного котла до атомной электростанции оказался практически в четыре раза длиннее, чем дорога к атомной бомбе Офицер охраны Дэен Филипс несет охрану на атомной электростанции Diablo Canyon Пульт управления атомной электрической станцией Как устроен атомный реактор АМ (Атом Мирный) Спустя полста лет после собственного рождения ядерная энергетика занимает приметную долю в мировом производстве электроэнергии Перезагрузка: техники наблюдают за выключением реактора. После открытия крышки в реактор загрузят новое горючее

По печальной драматичности судьбы осенью 1954 года, когда 1-ая мирная атомная электрическая станция достигнула собственной проектной мощности, погиб величавый физик Энрико Ферми, которому в первый раз удалось взнуздать цепную реакцию. А 20 девять апреля Две тыщи два года реактор Первой АЭС был остановлен навечно.

50 на 50

Сейчас, спустя полста лет с момента собственного рождения, ядерная энергетика занимает приметную долю в мировом производстве электроэнергии. Основная масса энергетических реакторов работает на термических нейтронах с урановым топливом, как и 1-ая АЭС. В их есть активная зона, твэлы, замедлитель, теплоноситель. Но на этом сходство и завершается. В различных типах реакторов употребляют различные замедлители, различные методы отвода тепла, различные конструкции тепловыделяющих частей, разную степень обогащения урана. К примеру, канадским реакторам CANDU вообщем довольно необогащенного горючего они могут работать на естественной консистенции изотопов урана.

Еще больше многообещающими числятся реакторы на стремительных нейтронах. Они работают без замедлителя, но требуют несколько другого горючего произведенного в обыденных (термических) реакторах плутония. Главное их достоинство исходя из убеждений энергетики способность в процессе работы не только лишь создавать электроэнергию, да и утилизировать неприменимый в качестве ядерного горючего уран-238 для получения новых порций плутония. Практически возникает возможность организовать так именуемый замкнутый топливный цикл. Вобщем, пока природный уран сравнимо дешев и доступен, эти технологии не достаточно завлекают инвесторов, и за редчайшим исключением реакторы на стремительных нейтронах это просто реакторы-размножители для производства плутония и потенциальные установки для сжигания ядерных отходов.

Несколько лабораторий занимались разработкой твэлов тепловыделяющих частей. Конкретно они содержат ядерное горючее и размещаются в самой брутальной зоне реактора. Поначалу сделали твэлы в виде железных трубок, на которые насаживались втулки из урана. Температурные тесты проявили, что эти трубки никуда не годятся время их работы в рабочих термических потоках исчислялось всего несколькими часами. Когда незапятнанный уран поменяли сплавом с 9% молибдена, дела пошли лучше: срок службы возрос до нескольких сот часов. Но самым удачным оказалось решение по диспергированию уранмолибденового сплава в магниевой матрице. Эта конструкция при испытаниях управлялась с термическими потоками, больше которых не могла выдержать и сама установка.

Природный реактор

Сначала 1970-х годов в урановых копях Габона были найдены следы необыкновенного процесса. По-видимому, два млрд годов назад тут работала саморегулирующаяся система размером с маленький исследовательский реактор мощностью в 100 кВт. Ученые кропотливо изучили остатки урана, плутония и других изотопов и попробовали вернуть картину этого необычного явления природы. Мешик, Хохенберг и Правдивцева в собственной статье, размещенной в одном из октябрьских номеров журнальчика Physical Review Letters за Две тыщи четыре год, представили таковой механизм: при заполнении уранового пласта водой начиналась цепная реакция, вода закипала и через 30 минут выбрасывалась в виде пара, в отсутствие воды цепная реакция прекращалась, и приблизительно 2,5 часа реактор отдыхал, пока в нем вновь не скапливалась вода. И так длилось приблизительно 100 500 лет.

Теги: