Ядерная энергетика. От истоков к перспективам
К 70-летию пуска первой в мире Обнинской атомной электростанции
Предисловие
Начавшаяся около двух веков назад и сделавшая возможным современный образ жизни индустриализация сопровождалась неуклонным ростом энергопотребления. Сегодня на одного жителя нашей планеты приходится около 2 кВт электрогенерирующих мощностей.
С началом использования тепловых машин основным энергоносителем стало органическое топливо. Вместе с этим перед человечеством возник широкий круг проблем, обусловленных исчерпаемостью разведанных запасов органических энергоресурсов. Также начиная с середины прошлого века ученые не могут оценить влияние обусловливаемых деятельностью человека выбросов парниковых газов на климат нашей планеты.
В 1896 году, исследуя соли урана, А. Беккерель (1852–1908) открыл явление радиоактивности, а двумя десятилетиями позже Мария Кюри (1867–1934) обнаружила относительно малое (170 Вт/кг) энерговыделение радия.
Обнаружение в 1932 году Д. Чедвигом (1891–1974) нейтрона, а также последующее объяснение О. Ганном (1879–1968) и Ф. Штрассманом (1902–1980) роли этих частиц в процессе расщепления ядер атомов урана, по сути, открыли путь к высвобождению ядерной энергии.
Судьбу дальнейших ядерных исследований определила Вторая мировая война. Бежавший в Новый Свет от германского нацизма величайший физик своего времени А. Эйнштейн (1879–1955) убедил администрацию США в необходимости финансирования крупномасштабных работ по созданию ядерного оружия.
В конце 1940 года возглавляемой Эдвином Макмилланом (1903–1991) командой физиков из Калифорнийского университета был впервые получен новый элемент – плутоний – с атомной массой 238, а годом позже изотоп плутоний-239, оказавшийся практически идеальным делящимся материалом для ядерной бомбы.
Через две недели после ядерной бомбардировки Хиросимы, 20 августа 1945 года, Государственный комитет обороны СССР принял решение об организации работ, направленных на скорейшую ликвидацию американской монополии на владение ядерным оружием.
Важным этапом создания ядерного оружия было построение состоящей из ядерных реакторов и радиохимических комбинатов базы для промышленного производства оружейного плутония.
Летом 1948 года в Челябинске-40 (ныне г. Озерск) был выведен на проектную мощность 100 МВт первый советский реактор А-1 для промышленной наработки оружейного плутония.
Подобно американским аналогам первые советские промышленные ядерные реакторы для наработки оружейного плутония охлаждались водой рек или специальных прудов-охладителей. Таким образом, выделявшаяся в них колоссальная тепловая энергия попросту утилизировалась. При этом использование энергии, выделяемой 100-мегаваттным ядерным реактором, позволяло бы ежесуточно экономить около 215 т каменного угля и не допускать выбросов в атмосферу 400 тыс. кубометров углекислого газа.
Начало новой отрасли
Для эффективного использования ядерных реакторов в мирных целях, в частности в электроэнергетике, требовалось решить множество непростых технических проблем.
Минимизация составляющих около 2% энергопотерь в линиях электропередач требует строительства АЭС вблизи крупных потребителей, то есть в относительно густонаселенных районах. Таким образом, на первый план выходят проблемы недопущения каких-либо радиационных инцидентов, то есть обеспечения ядерной безопасности.
Потребление электроэнергии существенно зависит как от сезона, так и от времени суток. Например, для Москвы суточная и годовая вариации данного показателя составляют 55% и 30% соответственно. Таким образом, в отличие от промышленных наработчиков оружейного плутония, ядерные реакторы АЭС должны устойчиво работать на различных мощностях, а также на переходных режимах.
Для решения проблем мирного использования ядерной энергии приказом МВД СССР от 27 апреля 1946 г. вблизи железнодорожной станции Обнинское была создана лаборатория «В», в которой решались проблемы физического моделирования перспективных ядерных реакторов для АЭС.
Для первой советской промышленной (ныне Белоярской) АЭС в лаборатории «В» проектировался 100-мегаваттный канальный реактор АМБ (атом мирный большой) с кипящим теплоносителем и с перегревом пара.
Для проектирования ядерного реактора АМБ требовалось создать его экспериментальный прототип. Им стала ядерная энергетическая установка АМ (атом мирный) мощностью 30 МВт.
По предложению И.В. Курчатова (1903– 1960) было принято решение о создании на площадке лаборатории «В» первой в мире экспериментальной АЭС с ядерным реактором АМ. Ее строительство началось в 1951 г., а 26 июня 1954 г. первая в мире атомная электростанция – Обнинская – электрической мощностью 5 МВт встала под промышленную нагрузку.
26 апреля 1964 года оснащенный реактором данного типа первый блок Белоярской АЭС вступил в строй. Это событие ознаменовало начало 22-летнего периода динамичного развития ядерной энергетики в СССР. В течение этого времени были спроектированы новые ядерные реакторы, строились и вводились в эксплуатацию новые генерирующие мощности, а выработка электроэнергии на АЭС прирастала в среднем на 20% в год.
На земле, в небесах и на море
Начало разработки передвижных ядерных энергетических установок, по сути, мобильных АЭС, восходит к 1950-м годам. Создание подобных установок позволило бы Советскому Союзу, избавившись от необходимости доставки в Арктику миллионов тонн органического топлива, в полной мере обеспечить предельно дешевой электроэнергией наиболее отдаленные районы Крайнего Севера.
7 июня 1961 года Физико-энергетический институт передал в эксплуатацию опытный образец транспортабельной атомной электростанции (ТЭС-3) электрической мощностью 1,5 МВт. Данная установка монтировалась на четырех модифицированных шасси тяжелого танка Т–10, каждое из которых снабжалось дизельным двигателем мощностью 750 л.с.
Опытный образец ТЭС-3 не пошел в серийное производство, но в течение восьми лет успешно использовался для энергоснабжения расположенных вдали от населенных пунктов объектов инфраструктуры Министерства обороны.
Позже в Институте ядерной энергетики Белорусской академии наук началась разработка новой передвижной атомной электростанции – Памир-630Д мощностью 0,63 МВт. В первой половине 1980-х годов два опытных образца данных установок были готовы к испытаниям.
Памир-630Д представляла собой комплекс из двух полуприцепов, для которых был разработан специальный тягач МАЗ-7960. Использование в качестве теплоносителя, обладающего высокой плотностью, теплопроводностью и теплоемкостью тетраоксида азота позволило, используя одноконтурную компоновку, сделать установку компактной.
При этом тетраоксиду азота свойственны высокая коррозийная агрессивность и токсичность. Поэтому активная зона ядерного реактора была изготовлена с большим запасом прочности, а управление мобильной АЭС осуществлялось с помощью компьютера.
Передвижная АЭС Памир-630Д испытывалась в течение года. Время наработки ядерного реактора составило 3,5 тыс. часов в разных нагрузочных режимах. Запас ядерного топлива позволял обеспечить непрерывную работу комплекса на протяжении еще нескольких лет.
В 1960-х годах в Обнинске начались работы над ядерной энергетической установкой «Топаз» для энергоснабжения спутников военного назначения. Ввиду жестких требований к массе и габаритам данных установок единственным приемлемым для них способом преобразования ядерной энергии в электрическую была прямая термоэмиссия.