Шлях від першого атомного котла до атомної електростанції виявився майже вчетверо довше, ніж дорога до атомної бомби
Офіцер охорони Деен Філіпс несе охорону на атомній електростанції Diablo Canyon
Пульт управління атомною електростанцією
Як влаштований ядерний реактор АМ # 40; "Атом Мирний")
Через півстоліття після свого народження ядерна енергетика займає помітну частку в світовому виробництві електроенергії
Перезавантаження: техніки спостерігають за виключенням реактора. Після відкриття кришки в реактор завантажать нове паливо
«Я до сих пір дивуюся, коли дивлюся на ядерний реактор». Нільс Бор (Москва, 1961 рік)
Проте час показав, що американський журналіст був надто оптимістичний. Потрібні були десятиліття роботи, кращі наукові уми і складні інженерні рішення, щоб відкусити маленький шматочок від цього неосяжного природного пирога. Тільки через дев'ять років перший реактор з символічною назвою «Атом мирний» був підключений до мирного енергомережі.
Вікно в атомну еру
Прямий шлях до оволодіння атомною енергією вказало одне важливе відкриття, зроблене в 1939 році німецькими фізиками О. Ганом і Ф. Штрассманом. Вони виявили ділення ядер урану під дією нейтронів. Не минуло й місяця після того, як ця приголомшлива новина досягла всіх провідних фізичних лабораторій, а на конференції у Вашингтоні вчені вже напівжартома-напівсерйозно заговорили про вивільнення ядерної енергії (див. Врізку про ланцюгової реакції поділу ядер). Але колись треба було відповісти на принципове питання: скільки в кожному акті поділу виходить нових нейтронів? Чи достатньо їх для ланцюгової реакції? Почалися копіткі експерименти, і в підсумку здогади підтвердилися: було виявлено, що при розподілі одного ядра урану вивільняється в середньому кілька нейтронів - щось близько одного, двох або трьох. Отже, передумови для ланцюгової реакції були знайдені. Далі з'ясувалося, що основний компонент природного урану - уран-238 - в більшій мірі поглинає нейтрони, ніж ділиться ними. А головний ділиться компонент - уран-235 - становить всього 0,7% в природному суміші ізотопів. І хоча при розподілі урану-235 утворюється досить нейтронів, більшість з них пропадає дарма, стикаючись з численними ядрами основного ізотопу. Як впоратися з цією проблемою? Перший очевидний спосіб - збагачення уранової руди і виділення чистого ізотопу урану-235. Але на той час поділ ізотопів урану в промислових масштабах було надто трудомістким, а простіше кажучи, майже безнадійною справою. Більш того, тоді ще ніхто точно не знав і не міг порахувати, скільки кілограмів або десятків (а може, і сотень) кілограмів цього продукту знадобиться для запуску ланцюгової реакції.
Другий шлях передбачав використання природної суміші ізотопів урану і спирався на результати дослідів, які свідчили, що більш повільно летять (так звані теплові) нейтрони набагато ефективніше ділять ядра урану-235 і набагато менше поглинаються ядрами урану-238. Отже, уповільнивши нейтрони, можна для зменшення спотворень поглинання і збільшити ймовірність поділу. Сповільнювачі теж були відомі: легкі речовини типу води, вуглецю або берилію.
Перший атомний «котел»
Оскільки нейтрони - основні учасники ланцюгової реакції, не дивно, що експерименти зі спорудження першого атомного «котла» очолив головний на той час фахівець з нейтронам і лауреат Нобелівської премії Енріко Фермі, який емігрував з фашистської Італії і працював в Колумбійському університеті. Тут в 1941 році і почали будувати пробну установку. В як сповільнювач вибрали простий і доступний у великих кількостях матеріал - вуглець у формі графіту. Як згадував Фермі, фізики, вкриті чорним пилом графіту і окису урану, перетягували багатокілограмові блоки, і, зглянувшись над ними, декан дозволив найняти для цієї роботи студентів-футболістів. Справа пішла веселіше - вони набагато легше справлялися з упаковками уранового порошку вагою по 20-40 кг. Але коли гратчаста конструкція з банок з окисом урану і приблизно 30 т графіту була нарешті готова, результати вимірювань збентежили - нейтронів було недостатньо для ланцюгової реакції. Підвело якість матеріалів. Там, де кожен нейтрон на рахунку, будь-яка домішка, що поглинає нейтрони, зводить всі зусилля нанівець.
У 1942 році команда фізиків під керівництвом Фермі переїхала в Чикаго, в Металургійну лабораторію, де були сконцентровані всі основні наукові сили з дослідження ланцюгової реакції. Експерименти продовжилися. Промисловість під тиском військових поступово підвищувала якість поставленого графіту і збагаченого урану, і в кінці кінців, судячи з експериментальними даними, воно стало достатнім для здійснення ланцюгової реакції.
Олов'яно-керамічний кристаллизатор
Шлях від першого атомного котла до атомної електростанції виявився майже вчетверо довше, ніж дорога до атомної бомби. Першими промисловими установками з керованою ланцюговою реакцією поділу стали реактори для отримання плутонію-239 (який утворюється при поглинанні нейтронів ураном-238). Після цього настала черга малих енергетичних установок для підводних човнів, а в 1951 році на дослідній американської станції в Айдахо вдалося навіть отримати трохи електрики - його вистачило, щоб запалити цілих чотири лампочки.
Проблема полягала в тому, що для функціонування повноцінної енергетичної установки, яку можна порівняти за потужністю з тепловими станціями, були потрібні зовсім інші температурні і потужності режими. Щоб перетворити чотири лампочки в мільйони, потрібно не просто інша кількість - іншу якість. Необхідно організувати теплообмін при високих теплових потоках і високому тиску - питання ці були слабо вивчені. Паливні елементи в активній зоні повинні працювати в умовах високих температур без руйнування, а конструкційні матеріали - витримувати величезні радіаційні навантаження. І все ж в 1950 році в СРСР було прийнято рішення про будівництво експериментальної реакторної установки - установки «АМ» (Атом Мирний). Все було засекречено, і в документах тих років можна зустріти забавні шифровані позначення: уран назвали «активним полімером», нейтрони - «нульовими точками», а уран-графітовий реактор - «олов'яно-керамічним кристалізатором».
Пропонувалося декілька варіантів конструкції, але остаточний проект, затверджений академіками І.В. Курчатовим і Н.А. Доллежаля, був такий: будувати уран-графітовий реактор з трубчастими тепловидільними елементами, де в якості теплоносія використовується некіпящей вода під тиском 100 атмосфер. Проектна потужність реактора - 30 МВт, але не з теоретичних міркувань, а через цілком конкретних обставин. У той час, в умовах загального повоєнного дефіциту і розрухи, навіть на таких пріоритетних напрямках часто доводилося задовольнятися наявними ресурсами. І ось в пошуках турбоагрегату в Москві натрапили на стару, зняту з експлуатації турбіну невеликої потужності - близько 6 МВт, яка цілком підходила для досвідченої атомної станції. Характеристики цієї турбіни і визначили в кінцевому підсумку потужність ядерної установки Першої АЕС.
Кілька лабораторій займалися розробкою твелів - тепловиділяючих елементів. Саме вони містять ядерне пальне і розташовуються в найагресивнішою зоні реактора. Спочатку виготовили твели у вигляді сталевих трубок, на які насаживались втулки з урану. Температурні випробування показали, що ці трубки нікуди не годяться - час їх роботи в робочих теплових потоках обчислювалася всього декількома годинами. Коли чистий уран замінили сплавом з 9% молібдену, справи пішли краще: термін служби збільшився до декількох сотень годин. Але найвдалішим виявилося рішення по диспергированию уранмолібденового сплаву в магнієвої матриці. Ця конструкція при випробуваннях справлялася з тепловими потоками, більше яких не могла витримати і сама установка.
П'ятдесят на п'ятдесят
Тепер, через півстоліття з моменту свого народження, ядерна енергетика займає помітну частку в світовому виробництві електроенергії. Основна маса енергетичних реакторів працює на теплових нейтронах з урановим паливом, як і Перша АЕС. У них є активна зона, твели, сповільнювач, теплоносій. Але на цьому схожість і закінчується. У різних типах реакторів використовують різні сповільнювачі, різні способи відведення тепла, різні конструкції тепловиділяючих елементів, різну ступінь збагачення урану. Наприклад, канадським реакторів CANDU взагалі досить незбагаченого палива - вони можуть працювати на природному суміші ізотопів урану.
Ще більш перспективними вважаються реактори на швидких нейтронах. Вони працюють без сповільнювача, але вимагають дещо іншого палива - виробленого в звичайних (теплових) реакторах плутонію. Головна їхня гідність з точки зору енергетики - здатність в процесі роботи не тільки виробляти електроенергію, але і утилізувати непридатний як ядерне пальне уран-238 для отримання нових порцій плутонію. Фактично з'являється можливість організувати так званий «замкнутий паливний цикл». Втім, поки природний уран порівняно дешевий і доступний, ці технології мало приваблюють інвесторів, і за рідкісним винятком реактори на швидких нейтронах - це просто реактори-розмножувачі для виробництва плутонію і потенційні установки для спалювання ядерних відходів.