Мирный атом: Ядерная энергетика

В мельчайших частичках вещества — ядрах атомов — скрыта колоссальная энергия. Судите сами. В ядерном реакторе, который поставляет электричество для круглосуточного свечения 10 миллионов стоваттных лампочек, за год работы исчезает всего 1 килограмм ядерного горючего из нескольких десятков тонн. Казалось бы, вот оно — энергетическое изобилие. В августе 1945 года американский журналист Джон О’Нейл, вдохновленный мощью атомной бомбы, написал в одной из своих статей: «Производство атомной энергии, несомненно, будет чрезвычайно дешевым... В наших автомобилях со временем появятся атомные энергетические установки... и нам не нужно будет заправляться топливом... В сравнительно короткие сроки мы сможем прекратить добычу угля».

Однако время показало, что американский журналист был чересчур оптимистичен. Потребовались десятилетия работы, лучшие научные умы и сложные инженерные решения, чтобы откусить маленький кусочек от этого необъятного природного пирога. Только девять лет спустя первый реактор с символическим названием «Атом мирный» был подключен к мирной энергосети.

Это произошло недалеко от Москвы, в небольшом поселке Обнинске на реке Протве, и с тех пор 27 июня 1954 года считается днем рождения ядерной энергетики.

Прямой путь к овладению атомной энергией указало одно важное открытие, сделанное в 1939 году немецкими физиками О. Ганом и Ф. Штрассманом. Они обнаружили деление ядер урана под действием нейтронов. Не прошло и месяца после того, как эта потрясающая новость достигла 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 прежде надо было ответить на принципиальный вопрос: сколько в каждом акте деления получается новых нейтронов? Достаточно ли их для цепной реакции? Начались кропотливые эксперименты, и в итоге догадки подтвердились: было обнаружено, что при делении одного ядра урана высвобождается в среднем несколько нейтронов — что-то порядка одного, двух или трех. Итак, предпосылки для цепной реакции были найдены. Дальше выяснилось, что основной компонент природного урана — уран-238 — в большей степени поглощает нейтроны, чем делится ими. А главный делящийся компонент — уран-235 — составляет всего 0,7% в естественной смеси изотопов. И хотя при делении урана-235 образуется достаточно нейтронов, большинство из них пропадает зря, сталкиваясь с многочисленными ядрами основного изотопа. Как справиться с этой проблемой? Первый очевидный способ — обогащение урановой руды и выделении чистого изотопа урана-235. Но по тем временам разделение изотопов урана в промышленных масштабах было чересчур трудоемким, а проще говоря, почти безнадежным делом. Более того, тогда еще никто точно не знал и не мог сосчитать, сколько килограммов или десятков (а может, и сотен) килограммов этого продукта понадобится для запуска цепной реакции.

Второй путь предполагал использование естественной смеси изотопов урана и опирался на результаты опытов, которые свидетельствовали, что более медленно летящие (так называемые тепловые) нейтроны гораздо эффективнее делят ядра урана-235 и гораздо меньше поглощаются ядрами урана-238. Следовательно, замедлив нейтроны, можно уменьшить паразитное поглощение и увеличить вероятность деления. Замедлители тоже были известны: легкие вещества типа воды, углерода или бериллия.

Поскольку нейтроны — основные участники цепной реакции, не удивительно, что эксперименты по сооружению первого атомного «котла» возглавил главный по тем временам специалист по нейтронам и лауреат Нобелевской премии Энрико Ферми, который эмигрировал из фашистской Италии и работал в Колумбийском университете. Здесь в 1941 году и начали строить пробную установку. В качестве замедлителя выбрали простой и доступный в больших количествах материал — углерод в форме графита. Как вспоминал Ферми, физики, покрытые черной пылью графита и окиси урана, перетаскивали многокилограммовые блоки, и, сжалившись над ними, декан позволил нанять для этой работы студентов-футболистов. Дело пошло веселее — они гораздо легче справлялись с упаковками уранового порошка весом по 20−40 кг. Но когда решетчатая конструкция из банок с окисью урана и примерно 30 т графита была наконец готова, результаты измерений обескуражили — нейтронов было недостаточно для цепной реакции. Подвело качество материалов. Там, где каждый нейтрон на счету, любая примесь, поглощающая нейтроны, сводит все усилия на нет.

В 1942 году команда физиков под руководством Ферми переехала в Чикаго, в Металлургическую лабораторию, где были сконцентрированы все основные научные силы по исследованию цепной реакции. Эксперименты продолжились. Промышленность под давлением военных постепенно повышала качество поставляемого графита и обогащенного урана, и в конце концов, судя по экспериментальным данным, оно стало достаточным для осуществления цепной реакции.

Поскольку к октябрю 1942 года участок, купленный для лаборатории в Аргоннском лесу, был еще совершенно не готов, возводить «котел» решили прямо в центре большого города — на кортах для игры в сквош в спортгородке Чикагского университета. Работали круглосуточно, в две смены, укладывая слои графита и урановых блоков, причем самое качественное топливо — как можно ближе к центру. После укладки каждого слоя проводились измерения, Ферми делал расчеты и давал указания по поводу следующего слоя. Меньше чем за месяц собрали конструкцию в форме эллипсоида размером примерно 3х4 метра из 385 тонн графита и 46 тонн урана. В ней были сделаны щели для деревянных стержней, обитых кадмиевой жестью (кадмий сильно поглощает нейтроны и может остановить цепную реакцию). Стержни вынимали только на время измерений, а затем вводили в котел и запирали на висячий замок, ключи от которого были только у начальников смен.

Решающий момент наступил 2 декабря 1942 года. По расчетам было набрано достаточно слоев для начала самоподдерживающейся цепной реакции. На испытании присутствовало около 40 человек. Это были главным образом физики, собиравшие установку. На всякий случай в конструкции предусмотрели аварийные стержни — достаточно было просто перерезать веревку, и они падали в котел, а несколько добровольцев стояли наверху с ведрами раствора кадмиевой соли, готовые при необходимости вылить его внутрь сооружения. Удалили все кадмиевые полосы, кроме одной, а затем начали постепенно выдвигать и ее. После каждого шага измеряли количество нейтронов, и Ферми делал расчет на логарифмической линейке. В 2 часа 20 минут дня, когда вынули 2,5 метра полосы, интенсивность начала расти все быстрее и быстрее, пока не стало ясно, что она может сделаться бесконечно большой. Тогда кадмиевые стержни вернули на место. Первое испытание продолжалось 28 минут, котел удерживали при мощности не более полуватта, чтобы свести к минимуму радиоактивное облучение, ведь никакой защиты предусмотрено не было. После остановки котла распили бутылку кьянти, а успешный исход испытаний скромно отметили у Ферми дома (хотя жена его так и осталась в неведении о причинах торжества). А на спортивных кортах университета, там, где человеку впервые удалось осуществить управляемую цепную реакцию, теперь стоит бронзовый монумент.

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

Проблема заключалась в том, что для функционирования полноценной энергетической установки, сравнимой по мощности с тепловыми станциями, требовались совершенно другие температурные и мощностные режимы. Чтобы превратить четыре лампочки в миллионы, нужно не просто другое количество — другое качество. Необходимо организовать теплообмен при высоких тепловых потоках и высоких давлениях — вопросы эти были слабо изучены. Топливные элементы в активной зоне должны работать в условиях высоких температур без разрушения, а конструкционные материалы — выдерживать огромные радиационные нагрузки. И все же 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 встретить забавные шифрованные обозначения: уран назвали «активным полимером», нейтроны — «нулевыми точками», а уран-графитовый реактор — «оловянно-керамическим кристаллизатором».

Предлагалось несколько вариантов конструкции, но окончательный проект, утвержденный академиками И.В. Курчатовым и Н.А. Доллежалем, был таков: строить уран-графитовый реактор с трубчатыми тепловыделяющими элементами, где в качестве теплоносителя используется некипящая вода под давлением 100 атмосфер. Проектная мощность реактора — 30 МВт, но не из теоретических соображений, а из-за вполне конкретных обстоятельств. В то время, в условиях общего послевоенного дефицита и разрухи, даже на таких приоритетных направлениях часто приходилось довольствоваться имеющимися ресурсами. И вот в поисках турбоагрегата в Москве наткнулись на старую, снятую с эксплуатации турбину небольшой мощности — порядка 6 МВт, которая вполне подходила для опытной атомной станции. Характеристики этой турбины и определили в конечном итоге мощность ядерной установки Первой АЭС.

Весь процесс сооружения атомной станции, начиная с сентября 1951 года, представлял собой череду экспериментов и испытаний. Анализируя потенциальные аварийные ситуации, пришли к выводу, что при определенных параметрах реактора самое опасное — заполнение кладки водой, например, при разрыве канала охлаждения. Тогда увеличивается коэффициент размножения нейтронов, и мощность начинает нарастать. А при отключении подачи воды, наоборот, цепная реакция полностью прекращается. Впоследствии оказалось, что эти расчеты проверены самой природой: через 20 лет в Габоне обнаружили природный ядерный реактор, работавший по такому «водяному» принципу.

Несколько лабораторий занимались разработкой твэлов — тепловыделяющих элементов. Именно они содержат ядерное горючее и располагаются в самой агрессивной зоне реактора. Сначала изготовили твэлы в виде стальных трубок, на которые насаживались втулки из урана. Температурные испытания показали, что эти трубки никуда не годятся — время их работы в рабочих тепловых потоках исчислялось всего несколькими часами. Когда чистый уран заменили сплавом с 9% молибдена, дела пошли лучше: срок службы увеличился до нескольких сот часов. Но самым удачным оказалось решение по диспергированию уранмолибденового сплава в магниевой матрице. Эта конструкция при испытаниях справлялась с тепловыми потоками, больше которых не могла выдержать и сама установка.

В начале мая 1954 года приступили к загрузке активной зоны топливом. Первый полный комплект ядерного горючего содержал 546 кг урана с 5-процентным обогащением ураном-235. Полтора месяца продолжались испытания, и вот 26 июня 1954 года в 17 часов 45 минут пар был подан на турбину и первая в мире атомная электростанция получила промышленную нагрузку при мощности электрогенератора 1,5 МВт. А на следующий день об этом событии сообщил ТАСС. Впрочем, до выхода на проектную нагрузку в 5 МВт строителям и сотрудникам станции еще в течение нескольких месяцев пришлось устранять разные неожиданные проблемы и опасные ситуации, например появление кислорода в кладке реактора. Но постепенно работа наладилась, а свой экспериментальный характер Первая АЭС сохранила на все 48 лет эксплуатации: в центре ее активной зоны был предусмотрен специальный канал для физических экспериментов.

По грустной иронии судьбы осенью 1954 года, когда первая мирная атомная электростанция достигла своей проектной мощности, умер великий физик Энрико Ферми, которому впервые удалось обуздать цепную реакцию. А 29 апреля 2002 года реактор Первой АЭС был остановлен навсегда.

Теперь, спустя полвека с момента своего рождения, ядерная энергетика занимает заметную долю в мировом производстве электроэнергии. Основная масса энергетических реакторов работает на тепловых нейтронах с урановым топливом, как и Первая АЭС. В них есть активная зона, твэлы, замедлитель, теплоноситель. Но на этом сходство и заканчивается. В разных типах реакторов используют разные замедлители, разные способы отвода тепла, разные конструкции тепловыделяющих элементов, разную степень обогащения урана. Например, канадским реакторам CANDU вообще достаточно необогащенного топлива — они могут работать на естественной смеси изотопов урана.

Еще более перспективными считаются реакторы на быстрых нейтронах. Они работают без замедлителя, но требуют несколько иного топлива — произведенного в обычных (тепловых) реакторах плутония. Главное их достоинство с точки зрения энергетики — способность в процессе работы не только производить электроэнергию, но и утилизировать непригодный в качестве ядерного горючего уран-238 для получения новых порций плутония. Фактически появляется возможность организовать так называемый «замкнутый топливный цикл». Впрочем, пока природный уран сравнительно дешев и доступен, эти технологии мало привлекают инвесторов, и за редким исключением реакторы на быстрых нейтронах — это просто реакторы-размножители для производства плутония и потенциальные установки для сжигания ядерных отходов.

Человек использует энергию атомного ядра уже 50 лет. Это до сих пор гораздо сложнее, чем топить печку углем или сжигать бензин в двигателе внутреннего сгорания. Начинка ядерных электростанций сделана из того же материала, что и атомная бомба, и все эти годы нас не покидает интуитивное ощущение тревоги и недоверия. Возможно, еще лет через сто, когда подойдут к концу обычные источники энергии, а возобновляемой замены им так и не найдется, у человечества не будет иного выбора, кроме ядерной энергетики. И будучи реалистом, генеральный директор МАГАТЭ Мохаммед эль-Барадеи, выступая в июне 2004 года на конференции в Москве, осторожно сказал так: «...сейчас, когда атомная энергетика отмечает свое 50-летие, ее будущее — хоть оно, возможно, и становится многообещающим — все же остается неопределенным».