Юбилей первой в мире АЭС: как работает старейшая атомная установка спустя 70 лет

Сегодня реактор заглушен, топлива в нем нет, но его вывод из эксплуатации еще не завершен, так что нельзя сказать, что это ненастоящая атомная электростанция. Очень даже настоящая — причем ее можно посетить с экскурсией: зайти в кабинет директора станции, щелкнуть переключателем на пульте управления и даже заглянуть в реакторный зал!

Когда в 1945 году постановлением ГКО №9887 «О Специальном Комитете при ГКО» в СССР «официально» запустили атомный проект, почти все силы относительно небольшого сообщества физиков страны были брошены на разработку и производство атомной бомбы. И хотя все понимали, что запасенная в уране энергия может привести к революции в сфере энергетики, рук, а точнее «мозгов», просто не хватало.

Тем временем на месте будущего Обнинска открылась Лаборатория «В», в которую привезли немецких ученых во главе с Хайнцем Позе, специалистом по ядерной и ускорительной физике.

Квалифицированные физики, химики, механики, стеклодувы переезжали вместе с семьями. Они стали учителями 45 молодых советских специалистов. Так все и ходили: в одном кармане белого халата — справочник по физике, в другом — русско-немецкий разговорник. Когда было принято решение построить первую АЭС именно в Обнинске, немецкие специалисты уехали: кто-то в Германию, кто-то в другие советские научные институты. Знания остались, но их не хватало.

Руководителем Лаборатории «В» и проекта сооружения АЭС стал физик-теоретик Дмитрий Блохинцев. Что главное — он был профессором МГУ. Когда стало понятно, что все состоявшиеся физики-ядерщики заняты другими проектами, он позвал к себе в Обнинск студентов и аспирантов.

«По-видимому, в каждом новом деле бывают по крайней мере две неясности и две ясности: первая неясность — когда люди совсем еще ничего не знают о предмете, затем наступает первая ясность — когда все кажется изумительно очевидным. Далее наступает вторая неясность, когда отчетливо понимаешь, что в сущности ничего не знаешь, а только думал, что знаешь. И, наконец, появляется зрелое знание и полное владением делом», — писал Блохинцев, вспоминая те годы.

Проектированием реакторной установки занимался инженер-теплотехник Николай Доллежаль. Когда чертежи легли на стол Блохинцеву, он был шокирован количеством «белых пятен». Тем не менее, уже «познакомившись» с возможностями ядерной энергии и радиации, Игорь Курчатов и коллектив атомного проекта старались предусмотреть все необходимое для обеспечения «производственной безопасности» сотрудников. При строительстве закладывали простор для будущих возможных изменений.

Были предприняты революционные, очень дорогие по стоимости технические решения. Например, в здании сделали технологическое зонирование, чтобы весь воздух собирался с «чистой» периферии в реакторный зал. В здание встроили систему трубочек, по которым из любого помещения можно было взять на проверку воздух.

За пару месяцев до пуска реактора Игорь Курчатов отправил в Обнинск специалистов, работавших ранее на Урале с реакторными установками. Они значительно помогли молодому коллективу. Тем не менее, за пультом управления сидели молодые ученые. И потом Дмитрий Блохинцев не раз шутил, что первая АЭС — «дипломная работа молодого коллектива института».

Загружать топливные каналы в реактор АЭС начали 9 мая 1954 года. Критическое состояние было достигнуто в 19:40 — в небольшой, полтора на полтора метра, активной зоне реактора началась цепная самоподдерживающаяся реакция деления ядер урана.

Мощность наращивали постепенно. Как рассказал экскурсовод Василий Мерзликин, ведущий инженер отдела ядерной безопасности Физико-энергетического института, последние десять дней перед промышленным пуском дались коллективу очень тяжело. Двадцать раз срабатывала система аварийной защиты. Причиной множества ложных срабатываний стали датчики. Для надежности работы реактора к каждому из 127 каналов с топливом сделали индивидуальный подвод воды. При этом каждая трубочка проходила через ту самую автоматическую систему. Если расход повышался или падал ниже определенной отметки, на пульт управления шел сигнал, и срабатывала аварийная защита. Проблема была в том, что стрелка порой слишком сильно дергалась, и датчик срабатывал ложно. В итоге, Ефим Славский, один из отцов-основателей атомной отрасли, под личную ответственность позволил подправить приборы.

Наконец, в 17:45, в вечернюю смену, 26 июня 1954 году, задвижки подачи пара открыли. Закрутился турбогенератор, и первая в мире атомная электростанция встала под промышленную нагрузку.

Несмотря на ликование, из-за экстремальных нагрузок проблемы продолжали копиться. Трубы трескались и лопались от давления воды. По сути, под атомный проект необходимо было обновлять всю химическую и металлургическую промышленность страны.

К июлю 1954-го года проблем накопилось так много, что собралась техническая комиссия из главных ученых атомного проекта. Они должны были принять решение: отпраздновать успех и остановить проект, пока не произошла какая-нибудь авария, либо продолжить работу. Было принято решение, что этот реактор — путь к большой атомной энергетике СССР, а значит, останавливаться нельзя.

Станцию закрыли на продолжительный ремонт, в ходе которого внесли немало изменений в конструкцию и материалы. После этого она заработала без проблем, а наработки потом стали основой для проектирования реакторов будущих поколений.

«Именно с пуском первой АЭС 26 июня 1954 года, когда пар был подан на турбину, началась эпоха мирного освоения атомной энергии. Спустя десятилетия можно сказать, что старт эпохи освоения атома привел к развитию очень многих направлений деятельности, не только связанных с атомной энергией, но и близлежащих. Это дало толчок развитию наук в области исследования материи, ядерной медицины, уникальных технологий, которые были необходимы для создания новых перспективных ядерных реакторов. Всего этого не было бы, если бы не было тех ученых и специалистов. И в те же годы сотрудники Лаборатории "В" подняли вопрос о необходимости подготовки кадров», — прокомментировал торжественное событие Андрей Лебезов, генеральный директор Физико-энергетического института имени А. И. Лейпунского.

Дело первых ученых Обнинска живет: от уникальных стендов в ФЭИ до производства радиофармпрепаратов и обучения новых специалистов. Перейдем к тому, чем занимаются ученые первого наукограда в эти дни.

Визитная карточка Физико-энергетического института имени А. И. Лейпунского — комплекс критических стендов БФС. На сегодняшний день это единственная в мире база, на которой можно экспериментально собрать модели активных зон преимущественно быстрых реакторов и полностью изучить их нейтронно-физические характеристики, сопоставить экспериментальные данные с расчетными.

Подобные стенды были в США, Франции и Японии, но по разным причинам те установки оказались не достаточно долгоживущими или универсальными. БФС-1 и БФС-2 в ФЭИ прошли «техническое перевооружение», как выразился начальник комплекса Александр Жуков, и «вернулись на работу» в 2019 и 2021 годах соответственно. Сейчас они активно используются.

Сейчас на стенде БФС-2 собрана активная зона реакторной установки БН-1200М, потенциально первого серийного коммерческого реактора на быстрых нейтронах. Это самая масштабная подобная сборка в истории. Недавно там изучили, что будет с активной зоной, если аварийно перестанет поступать часть теплоносителя. Такие эксперименты безопасны, потому что максимальная мощность установки небольшая — 1 кВт, и она редко работает продолжительное время на максимальной мощности, ведь нужно протестировать разные компоновки. Вырабатываемое тепло просто выделяется вовне.

Экспериментальную модель собирают с помощью топливных стержней, располагая в них блочки из тех материалов, которые будут в теоретическом реальном реакторе:

Главное тут соблюсти их концентрации, чтобы увидеть характер активной зоны. В БФС-1 — 2 тыс. таких стержней, в БФС-2 — 10 тыс. Для понимания масштабов: в эксперименте активной зоны БН-1200 сейчас задействованы более 2 млн таких блочков.

«Эксперименты бывают разными. Порой на [полной мощности работы реактора] нужно стоять 5-12 часов. Конечно, у нас все же есть небольшой поток нейтронов, поэтому за это время зона "наактивируется". Затем приходится несколько дней выжидать, пока эта активация спадет, ведь у всего есть свой период полураспада. Мы стараемся планировать экспериментальные работы так, чтобы таких длительных облучений было как можно меньше, и смена не скучала», — ответил Александр Жуков на наш вопрос о том, как после эксперимента работают с «заряженными» стержнями из активной зоны.

Оказалось, что собирают топливные стержни вручную. Как показала практика, машины пока не могут достаточно точно отследить, насколько ровно прилегают блочки к стенкам стержней и друг к другу. Чем больше конфигураций удастся проверить, тем лучше: что-то пересобрали, вывели активную зону на полную мощность, быстро оценили, как изменение повлияло на общую картину, и остановили. Вот такое «Лего» для реакторов.

«В прошлом году мы проводили научно-исследовательскую и опытно-конструкторскую работу и доказали, что мы сможем собрать и обосновать жидкосолевой реактор. Если будет такой заказ, мы проверим», — отметил Александр Жуков.

Гипотетически, жидкосолевые реакторы, как и реакторы на быстрых нейтронах, смогут эффективно «выжигать» минорные актиниды — самые долгоживущие и опасные составляющие отработавшего ядерного топлива. С этими реакторами нового поколения мы сможем замкнуть цикл ядерного топлива, избавившись от самых опасных радиоактивных отходов и начав «переработку» обедненного урана.

Как уже говорилось, атомная энергетика — не единственное направление, которое сейчас активно развивается в институтах Обнинска.

Научно-исследовательский физико-химический институт имени Л.Я. Карпова (НИФХИ им. Л.Я. Карпова, также предприятие Росатома) специализируется на выпуске радиофармпрепаратов. Благодаря различным радиоактивным изотопам эти препараты помогают визуализировать органы, а также искать и лечить очаги различных заболеваний в теле человека, преимущественно онкологических.

Нам показали, как устроен участок производства генераторов технеция-99м, «золотого стандарта» диагностики внутренних органов человека в ядерной медицине и определения онкологических заболеваний: расположения злокачественного образования и стадии его развития. НИФХИ — единственный в нашей стране производитель и поставщик этого изотопа: от Калининграда до Дальнего Востока.

Внутрь специально оборудованных контейнеров здесь грузят не технеций-99м, а «материнский» изотоп молибден-99. Пока генератор будут везти к пациентам, молибден-99 распадется до технеция-99м. Причина в том, что период полураспада технеция — всего шесть часов. В чистом виде, без «помощи» молибдена, его бы просто не успевали доставлять в клиники и проводить диагностику.

Уже в клиниках через генератор пропускают обычный физраствор, который потом вводят пациенту. По скорости распределения технеция-99м по организму, его накоплению и выведению из органов врачи могут определить стадию развития и форму злокачественных образований.

Цикл производства генераторов — всего одна неделя. Срок службы — 15 суток. Одного генератора хватает на проведение 100-150 диагностических процедур. Большие медицинские учреждения, вроде Национального медицинского исследовательского центра онкологии имени Н.Н. Блохина в Москве, каждую неделю используют по несколько таких генераторов, региональные центры — меньше. Десятки тысяч человек ежегодно проходят диагностику, благодаря этому производству в обнинском филиала НИФХИ.

«В клиниках отработана технология. Если после [срока службы, то есть 15 суток] генератор выдерживает еще 35 суток в помещении, где не будет ходить персонал, тогда генератор перестает быть источником ионизирующего излучения и может быть возвращен просто посылкой», — объяснил Дмитрий Владимирович Степченков, начальник отдела производства и развития генераторных систем.

Сейчас на территории института строится самый крупный завод по производству радиофармпрепаратов в Европе. Благодаря ему институт не только нарастит мощности производства существующей линейки препаратов, но и сможет производить ряд инновационных соединений на основе альфа- и бета-излучающих изотопов.

В общей сложности новый завод сможет производить более десятка различных радиофармпрепаратов. В их числе генераторы технеция-99м для диагностики, препарат на основе йода-131 для терапии щитовидной железы, а из инновационных — таргетные радиофармпрепараты на основе лютеция и альфа-излучателей (актиния и радия).

«Для выпуска инновационных радиофармацевтических препаратов мы проведем большой комплекс научных исследований и разработок, пройдем период регистрации этих препаратов, и после этого они выйдут в свободный оборот», — объяснил Олег Кононов, генеральный директор АО «НИФХИ им. Л.Я. Карпова».

Новый завод — не единственная «новинка» Обнинска. Наукоград продолжает развиваться как многопрофильный исследовательский центр, обучающий новое поколение специалистов в области ядерной энергетики.

На базе Физико-энергетического института Росатом планирует сформировать учебную лабораторию, где молодые специалисты смогут заниматься научно-исследовательской работой. Проект будет реализован в рамках создания международного образовательного кластера «Обнинск.Тех».

Также на территории города расположена одна из учебных площадок Технической академии Росатома. Ее особенность — универсальный аналитический тренажер, на котором можно запустить полномасштабную модель любого энергоблока любой атомной станции. На 30 виртуальных сенсорных панелях полностью имитируется блочный пункт управления станцией. Конечно, мы тут же попробовали пощелкать по кнопкам и вызвать внештатную ситуацию — у нас ничего не получилось. Поэтому мы попросили специалиста спровоцировать какую-нибудь аварию программно. Заработала сигнализация, на некоторых экранах отдельные панели замигали красным.

«Цепная реакция прекратилась. Запустилась система безопасности, выполнила локализацию аварии. Сейчас все автоматически приводится в безопасное состояние. Персоналу остается лишь контролировать действие различных функций систем, отслеживать их правильное выполнение, используя документацию», — объяснил происходящее Юрий Селезнев, ректор Технической академии Росатома.

На тренажере будущие операторы АЭС из разных стран мира — например, из Турции, где строится АС «Аккую», и Бангладеш, где строится АЭС «Руппур», — отрабатывают как различные режимы работы, так и внештатные ситуации. Нам показали упражнение, в котором учащиеся должны выполнить порядок действий, когда сработала автоматика. К сожалению, чтобы запустить более серьезный внештатный сценарий, потребовалась бы многочасовая перезагрузка модели.

На контрасте с оборудованием первой АЭС мира, конечно, лучше всего чувствуется, какой большой путь был пройден за эти 70 лет. Тем поразительнее, что за всю историю службы на Обнинской АЭС не случилось серьезных аварий. Все благодаря гению ученых атомного проекта и чутью молодых специалистов, которые, обжигаясь о раскаленные вентили труб, сумели прочувствовать и обуздать нового «коня» мировой энергетики.

Ежегодно музей первой в мире АЭС посещают более 5 тыс. гостей. Для режимного объекта это очень внушительный показатель. Теперь, с обновлением экспозиции и восстановлением исторического облика здания и его внутренних помещений, посетителей станет еще больше, надеются сотрудники. Более того, работы по расширению музея продолжатся.

Обнинская АЭС — комплекс из трех зданий:

Все они соединены подземными переходами и трубами, по которым пар, вода и воздух перемещались между зданиями.

Пока что экскурсии проводятся только в здании реакторной установки, но в будущем планируется открыть для посетителей и машзал. Гости смогут пройти тем же путем, которым бежала по трубам водам под давлением к помещению, где когда-то вырабатывалось электричество для всего города.

Сегодня зданию реакторной установки вернули его исторический светло-желтый цвет. Над входом вернулась историческая табличка «Атомная электростанция академии наук СССР». Внутри станция тоже «состарилась»: исчезли современные натяжные потолки, в кабинеты вернулась старая мебель, восстановился первозданный вид пульта управления и пульта дозиметрического контроля. Правда, с мультимедийным аспектом — теперь смогут почувствовать себя в гуще событий 70-летней давности. Тут нужно сказать, что за время эксплуатации некоторые приборы были заменены на более современные, но есть и те, которые работали с первого пуска. Также для гостей открыли новые части здания — архив и стативную.

В коридорах и помещениях, не имеющих исторической ценности, появилась интерактивная экспозиция, иллюстрирующая развитие атомного проекта и разработки Физико-энергетического института после запуска Обнинской АЭС. В одном из них оборудовали интерактивную игру «Построй реактор». Сразу вспоминаются стенды БФС-1 и БФС-2, но тут, конечно, все проще и виртуальнее. На стене напротив висят модели тепловыделяющих сборок (ТВС) разных реакторов. В центре, конечно, ТВС реактора первой АЭС.

Так Обнинск сохраняет свое историческое наследие, продолжает вносить вклад в развитие мирного атома, расширяет свои исследовательские и производственные возможности и обучает новое поколение атомных специалистов, которые будут сопровождать работу атомных электростанций не только в России, но и по всему миру.