Первый атомный реактор в СССР и Европе Ф-1 был запущен 25 декабря 1946 года. Первый ядерный котел

25 декабря 1946 года в СССР был запущен первый в Европе ядерный реактор Ф-1

Не обошлось и без столкновений идей и характеров, ведь проект возглавляли молодые, амбициозные ученые, не желавшие поступаться своими научными предпочтениями. Так, известный физик-ядерщик академик А. И. Алиханов, поначалу работавший в Лаборатории № 2, предлагал использовать в качестве замедлителя нейтронов тяжелую воду, которая практически не поглощала их. И. В. Курчатов собирался воспользоваться американским опытом и построить котел с замедлителем из графита, аргументируя свою позицию, в частности тем, что уран-графитовый котел обойдется дешевле и времени на его создание понадобится меньше.

В научной полемике никто не хотел уступать, и Курчатов вынужден был воспользоваться своим более высоким служебным положением. По воспоминаниям главы Министерства среднего машиностроения, курировавшего атомную отрасль, Е. П. Славского, на одном из совещаний Курчатов заявил: либо Лаборатория № 2 разрабатывает уран-графитовый котел, либо он отказывается от руководства проектом. Высшие руководители государства приняли точку зрения Курчатова. К слову, атомный котел на тяжелой воде построили в 1949 году в Теплотехнической лаборатории (ныне - Институт теоретической и экспериментальной физики им. А. И. Алиханова), куда перешел А. И. Алиханов. Атомный котел этого типа также сыграл важную роль в создании ядерного оружия: в нем нарабатывали тритий для водородной бомбы.

Опыта сооружения устройств, подобных атомному котлу, у советских ученых и инженеров не было. Все делалось в первый раз. Для котла необходимы были уран, графит, новые конструкционные материалы. Ко всем компонентам предъявлялись неслыханные для того времени требования по химической чистоте, так как малейшие примеси поглощали нейтроны и цепная реакция срывалась.

Теорию и методики расчета надо было разрабатывать на ходу, поэтому сразу браться за строительство котла для выработки плутония в количествах, достаточных для создания бомбы, было бы несерьезно. Решили вначале построить небольшой котел - прототип будущих промышленных реакторов.

Работа пошла по всем направлениям одновременно. К оперативному решению возникавших задач были привлечены многие академические и ведомственные научно-исследовательские и проектные институты (среди них московские Институт физических проблем, Физический институт, Институт физической химии, Институт редких металлов, НИИ графита), а также несколько заводов, в частности завод № 12 в Электростали, где были подходящие плавильные печи.

Академпроекту, который возглавлял известный архитектор А. В. Щусев, было поручено спроектировать здание для атомного котла. Физики ожидали, что от котла будет сильное излучение, поэтому бoльшую часть здания решили расположить ниже уровня земли. К возведению сооружения приступили в начале 1946 года, для чего привлекли строительные части МВД.

Тем временем также участвовавшие в Атомном проекте Ю. Б. Харитон, Я. Б. Зельдович, И. Я. Померанчук, И. И. Гуревич разрабатывали теорию котла и методики его расчета, а З. В. Ершова и Н. П. Сажин - технологию получения урана. В декабре 1943 года был произведен первый килограмм металлического урана в слитке. Производством сверхчистого графита занимались В. В. Гончаров и Н. Ф. Правдюк совместно со специалистами Московского электродного завода - те имели большой опыт работы с графитом, из которого изготовляли электроды дуговых источников света.

Урана, которого требовались сотни тонн, в стране практически не было, и его собирали буквально по граммам. Из оккупированной Германии вывезли найденные там остатки урана и его руды (основная масса досталась американцам). Срочно по всей стране были организованы геологические экспедиции для поиска месторождений урана. Рудники появились в Узбекистане, Таджикистане, Киргизии, на Украине. Руду из горных районов Средней Азии к железной дороге зачастую доставляли на ишаках.

Из металлического урана на заводе в Электростали начали производить блочки - цилиндры диаметром 32 мм и длиной 100 мм. В разработке технологии принимали участие немецкие специалисты. Впоследствии одному из них, Н. Рилю, присвоили звание Героя Социалистического Труда.

Здание для атомного котла, по соображениям секретности, называли в документах и в обиходе "монтажными мастерскими". Вообще, все документы, связанные с Атомным проектом, шли под грифами "совершенно секретно", "особая папка". Применялась и особая система шифровки: так, котел называли "электролизером", вместо слова "уран" писали "кремний" и т. д. Люди при поступлении в Лабораторию № 2 проходили многомесячные проверки и подписывали обязательства о строгом сохранении тайны.

Строительство одноэтажного здания "монтажных мастерских" с котлованом для котла глубиной 7 м и с подземным входом закончили в июле 1946 года.

Так как теория процессов, протекающих в котле, не имела экспериментальных подтверждений, И. В. Курчатов решил продвигаться к расчетному диаметру котла, составлявшему около 6 м, шажками, начав с небольшой модели. Первая уран-графитовая сферическая сборка имела диаметр 1,8 м, а предпоследняя, четвертая - 5,6 м. Все работы вручную выполнял коллектив так называемого сектора № 1 численностью около 30 человек, среди которых около четверти составляли женщины. Сотрудникам пришлось пять раз собирать и разбирать сферу. Графитовые призмы и урановые блочки таскали буквально "на пузе". А ведь это несколько сотен тонн! Иногда в такелажных работах принимал участие и сам Игорь Васильевич.

Специалисты Лаборатории № 2 И. С. Панасюк, Б. Г. Дубовский, И. Ф. Жежерун, К. Н. Шлягин, Н. В. Макаров, Е. Н. Бабулевич и другие конструировали и изготовляли приборы для систем управления, контроля и дозиметрии.

В ноябре 1946 года началась сборка самого котла. Для этого послойно укладывали графитовые брикеты размером 100х100х600 мм с тремя цилиндрическими отверстиями, в которые вставляли урановые блочки.

Активную зону котла, который в документах назывался Ф-1 (первый физический), оборудовали поглощающими кадмиевыми стержнями для управления цепной реакцией, а также датчиками и приборами контроля нейтронного потока. После укладки очередного слоя поглощающие стержни извлекали и измеряли нейтронный поток, который нарастал по мере увеличения высоты конструкции.

К вечеру 25 декабря 1946 года был уложен последний 62-й слой активной зоны. Перед тем как поднять поглощающие стержни, еще раз проверили все системы безопасности. Но на всякий случай возле троса, на котором был подвешен кадмиевый стержень аварийной защиты, Игорь Васильевич велел положить самый обыкновенный топор: если возникнет аварийная ситуация, а приборы защиты не сработают, трос нужно было перерубить, тогда стержень упадет в активную зону и прервет цепную реакцию.

У пульта управления остались только ответственные за работу основных систем котла и уполномоченный Совета министров Н. И. Павлов. Игорь Васильевич сам сел за пульт и начал извлекать из активной зоны кадмиевые стержни. Счетчик радиации - "щелкун" - зафиксировал нейтронный поток, который рос в геометрической прогрессии. Когда, по показаниям гальванометра, выделяемая в котле тепловая мощность достигла нескольких десятков ватт, Курчатов с помощью регулирующих стержней стабилизи ровал процесс и вскоре, используя стержень аварийной защиты, заглушил реакцию. Всего в этот день котел проработал около четырех часов.

Об успешном пуске котла Игорь Васильевич сразу же сообщил главному куратору Атомного проекта Л. П. Берия. Тот, не очень доверяя ученым и желая перед докладом Сталину убедиться во всем своими глазами, попросил Курчатова на следующий день еще раз запустить ядерную реакцию в его присутствии. Пуск котла, естественно, повторили.

В активной зоне котла находилось 400 т графита и 50 т урана. Практически с первого же дня котел стали эксплуатировать в круглосуточном режиме при мощности от 100 Вт до 1000 кВт. Специальной системы теплоотвода не было, и при работе на больших мощностях тепло аккумулировалось в большой массе графита. Затем графитовую кладку охлаждали струей воздуха от вентилятора.

В официальном отчете руководству страны Курчатов писал: "В результате большой и напряженной работы, проведенной коллективом в течение июля 1943 - декабря 1946 года, удалось 25 декабря 1946 года в 18 часов впервые наблюдать цепную саморазвивающуюся реакцию в осуществленном надкритическом уран-графитовом котле с практически полным и, по-видимому, самым рациональным использованием всех изготовленных к этому времени урановых и графитовых блоков".

Таким образом, от момента организации Лаборатории № 2 АН СССР до пуска первого котла Ф-1 прошло менее четырех лет. За этот сравнительно небольшой срок ученым удалось создать основы теории ядерных процессов в атомном котле, наладить производство урановых тепловыделяющих элементов и сверхчистого графита, сконструировать и изготовить приборы контроля и управления цепной реакцией и, наконец, построить сам котел.

В котле Ф-1 были получены значительные, так называемые весовые количества плутония (до этого физики располагали лишь совсем малым, индикаторным, количеством этого элемента, достаточным лишь для идентификации; его получали в лаборатории с использованием источника нейтронов). Блочки, в которых часть урана-238 превратилась в плутоний, доставили в НИИ-9, руководимый А. А. Бочваром. Сотрудники института выделили новый элемент и приступили к исследованиям его ядерных и физико-химических свойств, без чего невозможно было сконструировать атомную бомбу.

Чтобы наработать необходимое химикам количество плутония, котел нужно было хотя бы периодически выводить на мощность в несколько сотен киловатт. Но поскольку биологической защиты у котла практически не было, около здания отмечался очень высокий радиационный фон. Во время работы котла в форсированном режиме им управляли из помещения, расположенного на расстоянии около 500 м, а на крыше "монтажных мастерских" загорался большой красный фонарь. Этот сигнал предупреждал сотрудников Лаборатории об опасности, о том, что к зданию подходить нельзя.

Опыт эксплуатации Ф-1 позволил приступить к строительству на Урале (ныне - город Озерск) первого промышленного котла И-1 мощностью 100 тысяч киловатт. Он заработал в июне 1948 года. К лету 1949 года из облученного в нем урана было выделено примерно 4 кг плутония, из которого под руководством Ю. Б. Харитона в Арзамасе-16 (ныне - город Саров) были изготовлены первый ядерный заряд и первая ядерная бомба Ее успешные испытания прошли в августе 1949 года на полигоне под Семипалатинском.

Даже когда практическая надобность в реакторе Ф-1 отпала, его решили не разбирать, как это сделали американцы с первым реактором Ферми. И, как оказалось, не напрасно. Ветеран продолжает работать на старом месте, и благодаря высокой стабильности нейтронного потока его используют в качестве эталона для калибровки аппаратуры, предназначенной для реакторов новых АЭС.

источник: http://www.nkj.ru/

alik-shade.livejournal.com

Михаил Ковальчук: первый советский ядерный реактор Ф-1 помог сохранить мир

Двадцать пятого декабря исполняется 70 лет со дня пуска первого отечественного ядерного реактора Ф-1, созданного для реализации советского атомного проекта. Реактор, построенный в Москве на территории Лаборатории №2 Академии наук СССР (ныне Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"), стал отправной точкой для развития многих мирных ядерных направлений, в которых Россия занимает лидирующие позиции.

О значении того события для истории России и всего мира, о важности правильного выбора государством стратегических приоритетов для своего развития и о новых уникальных технологиях, развиваемых Курчатовским институтом, в интервью специальному корреспонденту РИА Новости Владимиру Сычеву рассказал президент центра, член-корреспондент Российской академии наук Михаил Ковальчук.

- Михаил Валентинович, что значил для нашей атомной отрасли, для страны пуск первого на континенте Евразия реактора Ф-1?

— Не только для страны, но и для будущего всего мира. Это было событие, значение которого трудно переоценить. Представьте себе военно-политический контекст того времени. Советский Союз одержал великую победу в мае 1945-го. Наша страна вынесла основную тяжесть битвы с нацистской Германией. К концу Великой Отечественной войны Советский Союз обладал самой боеспособной и технически оснащенной армией. Произошло усиление роли СССР в мире. С нашим участием решались судьбы мира – на конференциях в Тегеране, Ялте, Потсдаме.

И вот 6 и 9 августа 1945 года США сбрасывают атомные бомбы на Хиросиму и Нагасаки. По сути, одна страна оказалась обладательницей невиданного доселе оружия колоссальной разрушительной силы. Фактически наша победа была обесценена. Вплоть до 29 августа 1949 года – испытания советской атомной бомбы на Семипалатинском полигоне — будущее нашей страны стояло под вопросом. Как известно, 1 января 1950 года, согласно американскому плану "Троян", предполагалось сбросить на города СССР 300 ядерных и 20 тысяч обычных бомб.

Поэтому реализация в очень сжатые сроки, с невероятным напряжением сил и средств, советского атомного проекта, самым первым этапом которого был пуск реактора Ф-1, позволила восстановить ядерный паритет. До сих пор мир живет без глобальной войны только потому, что есть баланс сил. И Россия по сей день сохранилась как суверенное государство потому, что тогда, в тяжелейшее время, руководство страны и передовая наука нашли взаимное понимание перед стоящей угрозой. Для нас, нынешних, те события служат примером того, как государство должно выбирать и сочетать тактические и стратегические приоритеты, в том числе научно-технологические.

- О каких приоритетах идет речь?

— Тактические приоритеты — ближнесрочные, они обеспечивают нашу повседневную жизнь, нацелены на производство конкретных продуктов, создание и освоение определенных рынков и, по сути, являются отраслевыми.

А стратегические приоритеты имеют средне- и долгосрочный характер. От них изначально не ждут создания новых продуктов и рынков, но именно они обеспечивают создание принципиально новых, прорывных технологий и приводят к смене технологического уклада. Фактически стратегические приоритеты задают будущее.

Но тактические и стратегические приоритеты связаны друг с другом. Хотя без тактических приоритетов вы не решите текущих задач, но если пренебрегать приоритетами стратегическими, бросая силы и ресурсы только на решение тактических задач, то под угрозой может оказаться безопасность и независимость страны, ее будущее. Важно заметить, что стратегический приоритет, в том числе в науке, никогда не может быть выбран, образно говоря, на народном вече.

Тактический приоритет — это фактически баланс интересов огромного количества игроков, участников рынков с их продуктами и деньгами. А серьезный, стратегический приоритет может обозначить только группа передовых людей, которые смотрят вперед и видят на перспективу.

Стратегические приоритеты всегда продвигаются в борьбе, преодолевая сопротивление среды. Их обоснование должно подтверждаться большим числом профессиональных экспертиз. Только тогда может сложиться картина, обращенная в будущее.

- И атомный проект тому пример?

— Я считаю, что это самый главный пример. В войну в числе тактических приоритетов были, например, эвакуация оборонных предприятий на восток, разворачивание производства новых видов вооружений, с помощью которых мы победили. Но начало в США работ по атомному оружию стало настоящим стратегическим вызовом для нашей страны.

И представьте, что бы произошло, если в самые трудные годы войны часть нашего научного сообщества не била во все колокола, говоря, что надо создавать наше атомное оружие, а власть не поддержала бы ученых и мы не начали бы работы по этой тематике. Возможно, к началу 1950-х годов наша страна вообще могла перестать существовать и мы с вами сейчас бы не беседовали.

Программа создания ядерного оружия в США называлась "Манхэттенским проектом". Первая атомная бомба была взорвана на полигоне в Нью-Мексико в июле 1945 года. Выдающиеся мировые ученые, многие из которых эмигрировали в США из оккупированной Европы, привлечение огромных финансовых и производственных возможностей, 130 тысяч рабочих и инженеров – все это позволило американцам создать атомную бомбу за три с небольшим года.

В СССР в 1930-е годы целый ряд физических институтов добился важных результатов в изучении, как это тогда называлось, перспектив использования внутриядерной энергии: Ленинградский Физико-технический институт во главе с Абрамом Иоффе, Институт химической физики, возглавляемый Николаем Семеновым, Радиевый институт под руководством Виталия Хлопина, ФИАН с Сергеем Вавиловым во главе, ХФТИ в Харькове.

Среди учеников Иоффе (кстати, когда-то учившегося у самого Вильгельма Рентгена) был и Игорь Васильевич Курчатов, который возглавил в ЛФТИ в начале 1930-х годов отдел ядерной физики. В 1937 году в Радиевом институте им совместно со Львом Мысовским был запущен первый в Европе циклотрон, там же в 1940 году Константин Петржак и Георгий Флеров открыли явление спонтанного деления урана.

Именно тот самый Георгий Флеров, техник-лейтенант (позднее академик, соратник Курчатова по созданию первой советской атомной бомбы, один из основателей Объединенного института ядерных исследований в Дубне) написал в апреле 1942 года с фронта письмо Иосифу Сталину, где почти с уверенностью говорил о том, что в США полным ходом начаты работы по созданию ядерного оружия. Примерно в это же время руководство ГРУ Генштаба Красной армии информировало АН СССР о зарубежных работах по использованию атомной энергии в военных целях.

Но собственно началом советского атомного проекта принято считать 28 сентября 1942 года, когда Государственный комитет обороны (ГОКО) признал необходимым возобновить прерванные началом войны "работы по исследованию возможности овладения внутриядерной энергией". Руководство страны, опираясь на свою систему экспертизы, на данные, полученные по разным каналам, в том числе от разведки, оценило то, что говорили ученые, и сделало абсолютно правильный выбор, начав работы по атомной проблеме.

- Почему создание и пуск реактора Ф-1 считаются ключевым этапом нашего атомного проекта?

— Дело в том, что центральное ядро любой программы по созданию атомного оружия – это производство делящихся материалов, ядерной взрывчатки. Можно разрабатывать сколь угодно оригинальные конструкции ядерных зарядов, но без нужного количества плутония-239 или урана-235 эти идеи так и останутся идеями.

Изначально для нашей первой атомной бомбы был выбран вариант с плутониевым зарядом – наработка плутония в промышленном реакторе была более достижима, чем производство обогащенного урана, и с точки зрения времени, что очень важно.

Но сначала надо было построить экспериментальный реактор или котел, как он тогда назывался. Первые же эксперименты показали, что выпускавшиеся нашей промышленностью материалы, из которых мог бы быть собран реактор, содержат очень много вредных примесей. Для осуществления же цепной ядерной реакции нужен только очень чистый уран. Таким образом, главной целью стало создание уран-графитового котла как базы для следующего шага — промышленного производства ядерной взрывчатки — плутония.

Советский Союз начинал свою атомную программу в условиях войны, практически полного отсутствия ресурсов, при огромных людских и материальных потерях.

Для создания нашего первого реактора требовалось обеспечить геологоразведку и добычу урана, с нуля создать его металлургию, наладить производство графита высочайшего, невиданного ранее качества. Помимо этого, создавались необходимые приборы. Только в конце 1945 года начали выпускать уран и графит нужного качества и в достаточных объемах.

Вторым важным направлением работ стал расчет работоспособности конструкции реактора для осуществления самоподдерживающейся цепной ядерной реакции. Это тоже было колоссальным делом. Летом 1946 года было построено специальное здание с шахтой для реактора глубиной 10 метров, с надежной биологической защитой, приборами внутреннего и внешнего дозиметрического контроля, дистанционным управлением реактором.

Поочередно были собраны четыре сборки (это сотни тонн графита), одновременно строили здание для реактора. В его котловане была собрана финальная пятая сборка, которая и стала 25 декабря 1946 года тем самым легендарным реактором Ф-1 – "Физическим первым". На осуществление этого грандиозного проекта понадобилось всего 16 месяцев! С тех пор Курчатовский институт в авангарде создания новых реакторов. А началось все это с реактора Ф-1.

Так что пуск Ф-1 стал воистину эпохальным событием – было экспериментально доказано, что наши ученые могут осуществить управляемую самоподдерживающуюся цепную реакцию деления урана. Хорошо известна сказанная Курчатовым сразу же после пуска Ф-1 фраза: "Атомная энергия теперь подчинена воле советского человека".

Это дало возможность сразу начать создание мощных промышленных реакторов для наработки оружейного плутония. После пуска реактора Ф-1 был проведен ряд очень важных экспериментов, что позволило построить и пустить на Южном Урале в 1948 году первый промышленный реактор. Вот три ключевые точки в создании нашей первой атомной бомбы: 25 декабря 1946 года – пуск экспериментального реактора Ф-1, 22 июня 1948 года – выведен на полную мощность построенный на Урале промышленный реактор — наработчик оружейного плутония "Аннушка", 29 августа 1949 года – взрыв нашего первого атомного заряда на полигоне в Семипалатинске.

Важнейший вывод из тех событий таков: создание и пуск реактора Ф-1 – это демонстрация своевременности принятия руководством страны стратегически правильных решений в тяжелейших, подчас критических условиях.

Но пуск Ф-1 стал и отправной точкой для очень быстрого, стремительного развития атомной науки и техники, атомной промышленности страны. Мы в 1957 году спустили на воду свою первую атомную подводную лодку "Ленинский комсомол", а в 1959 году принят в эксплуатацию первый в мире атомный ледокол "Ленин". Сегодня Россия – обладатель единственного в мире атомного ледокольного флота. Он гарантирует нам стратегическое присутствие в северных широтах, где сосредоточены огромные запасы нефти, газа и биоресурсов.

А еще в 1954 году Игорь Васильевич Курчатов запустил в Обнинске первую в мире атомную промышленную электростанцию. Сегодня Россия, госкорпорация "Росатом" — мировой лидер в сфере сооружения атомных станций. АЭС "Куданкулам" в Индии, "Тяньвань" в Китае, "Бушер" в Иране – те станции, которые были пущены в нынешнем веке. Строится Островецкая станция в Белоруссии, планируется АЭС "Пакш-2" в Венгрии, "Руппур" в Бангладеш, "Ханхикиви" в Финляндии, "Аккую"в Турции. Портфель заказов "Росатома" сейчас превышает 300 миллиардов долларов. Мы осваиваем атомную энергетику по всем направлениям – от добычи урана до проектирования, строительства АЭС, обеспечения их работы, снабжения топливом и вывода из эксплуатации (то есть по всему жизненному циклу).

- Какова здесь роль Курчатовского института?

— Курчатовский институт всегда был главной научной организацией нашей страны в атомной сфере. У нас есть такая схема, как мы ее называем "Курчатовское реакторное древо". На ней показано, как из реактора Ф-1 вышли реакторы разных типов – промышленные, энергетические, исследовательские, транспортные, которые используются на подводных лодках, на атомных ледоколах, ядерные энергетические установки для космоса.

И сейчас мы, можно сказать, независимый мозговой центр, обеспечивающий научное сопровождение проектов Росатома. Практика доказала правильность создания такой национальной лаборатории, какой является Курчатовский институт. У нас сосредоточен самый мощный ядерно-физический потенциал страны. Мы выступаем в качестве не только эксперта проектов "Росатома", но и их непосредственным научным участником. Каждая атомная станция разработана и пущена с участием Курчатовского института.

Атомная станция – сложнейший технологически, гигантский объект. Это сотни систем, работающих одновременно. Но сердце атомного энергоблока — ядерный реактор. Курчатовский институт – научный руководитель их проектирования и установки. Мы рассчитываем параметры этих реакторов, их активных зон, ядерного топлива.

Но после чернобыльской аварии мы начали активно работать, в том числе в международной кооперации, над разработкой новых систем безопасности АЭС. И созданные нами новые системы безопасности – так называемые ловушки расплава – уже входят в состав оборудования АЭС, они были впервые установлены на Тяньваньской АЭС в Китае и АЭС "Куданкулам" в Индии. Такие ловушки расплава предназначены для того, чтобы в случае тяжелой аварии расплавленное топливо надежно собрать в себя, удержать и не позволить радиоактивным веществам выйти за пределы реакторной установки.

Помимо этого, мы рассчитываем даже сценарии практически невероятных, так называемых запроектных аварий, вплоть до гипотетического падения самолетов на купол станций или террористического акта.

Одним из наших основных направлений остаются ядерные технологии, их развитие, совершенствование. Мы не просто научные руководители таких современных проектов, как АЭС-2006 и ВВЭР-ТОИ, но и активные созидатели. Например, в области материаловедения – с нашим участием разработана новая марка стали, которая с помощью нанотехнологий приобретает особые свойства, а это поможет продлить срок работы корпусов реакторов до сотни лет.

Также у нас много наработок, связанных с атомными станциями малой мощности, актуальными, например, для Арктики. Там огромные расстояния, мало населенных пунктов, в основном это небольшие поселки, военные базы, и там просто не нужны большие энергоустановки. Что еще принципиально важно – в этом регионе востребованы установки, не требующие постоянного обслуживания на протяжении многих лет. В Курчатовском институте с 1970-х годов работают в этом направлении, мы создали работающие прототипы таких станций малой мощности, работающих по принципу прямого преобразования энергии. Такие реакторы по своим конструкционным параметрам обеспечивают пассивную безопасность, и кроме того, их можно изготавливать на заводе в рамках серийного производства и устанавливать практически в любом месте.

- Сегодня наша атомная отрасль близка к тому, чтобы восстановить у себя полноценную систему организаций-научных руководителей. Насколько, по-вашему, это важно?

— Это, с моей точки зрения, абсолютно необходимый процесс. Очевидно, что без восстановления системы научного руководства невозможны новые прорывы – ни в атомной области, ни в оборонной промышленности, ни в космической сфере. Ведь любая инженерная, технологическая, производственная структура или организация сама по себе не может, да и не должна генерировать новые идеи, поскольку она инженерно-технологически осваивает переданные ей научные результаты и отвечает за качественный, надежный выпуск конечной продукции. Поэтому она по сути своей является консервативной, и это здоровый консерватизм.

Но любой новый принцип может предложить и обосновать только наука – при полном контакте с инженерами и технологами.

Курчатовский институт выполняет эту функцию научного руководителя, и нам надо вернуться к этой системе в других областях. В военно-промышленном комплексе уже возрождается институт генеральных конструкторов и главных технологов.

- А какими Курчатовский институт видит пути развития атомной энергетики?

— Нынешняя атомная энергетика построена на реакторах на так называемых тепловых нейтронах. Основным ядерным горючим для таких установок является уран-235. Но в природном уране доля изотопа уран-235 составляет всего лишь 0,7%, остальное практически целиком приходится на уран-238, и чтобы создать топливо для АЭС, необходимо получить обогащенный уран, в котором доля 235-го изотопа составляла бы уже несколько процентов.

Кстати, отечественные технологии обогащения урана тоже были разработаны в Курчатовском институте под руководством академика Исаака Кикоина. Наша обогатительная промышленность, комплекс по разделению изотопов остаются и сегодня одними из лучших в мире. У нас на подходе газовые центрифуги нового поколения, а, например, США в нынешнем году закрыли свою газоцентрифужную программу, так и не сумев освоить эту технологию.

Есть еще один плюс "быстрых" реакторов. Ведь атомная энергетика оставляет отработавшее ядерное топливо, радиоактивные отходы, которые надо захоранивать, и для этого есть соответствующие технологии. Однако с экологической точки зрения это не лучший вариант, конечно.

Но можно сделать замкнутый ядерный топливный цикл — перерабатывать отработавшее ядерное топливо, выделять из него ценные делящиеся материалы, использовать их для создания нового ядерного топлива, как для реакторов на быстрых нейтронах, так и для тепловых реакторов, а опасные радионуклиды выжигать в "быстрых" реакторах. И вот тогда мы не только решим сырьевую проблему, но и придем к настоящей "зеленой" атомной энергетике в смысле минимизации радиоактивных отходов.

Россия – мировой лидер в освоении этих технологий. Мы сейчас – единственная страна, в которой работают реакторы на быстрых нейтронах промышленного уровня мощности, это реакторы БН-600 и БН-800 на Белоярской АЭС. Сейчас одна часть специалистов говорит, что будущее только за реакторами на быстрых нейтронах, а другая с этим не согласна. В действительности надо понимать, что наша перспективная атомная энергетика должна быть двухкомпонентной, в которой реакторы обоих типов будут взаимосвязаны. Это означает, что мы должны заниматься совершенствованием существующей базы наших водо-водяных энергетических реакторов на тепловых нейтронах ВВЭР, поскольку это массовые установки для производства электроэнергии. А параллельно выводить на качественно новый уровень "быстрые" реакторы, используя их для "дожигания" урана-238 и создания топливной базы для тепловых реакторов. И вместе мы получим полную гармонию.

- Будущее энергетики связывается и с использованием термоядерных реакций. А Курчатовский институт, как хорошо известно, был родоначальником технологий и в этом направлении.

Наши советские ученые из Курчатовского института предложили технологии термояда, еще в середине 1950-х была построена первая в мире установка токамак (тороидальная камера с магнитными катушками), в которой создавались условия, необходимые для протекания управляемого термоядерного синтеза. Поскольку невозможно получить материалы, которые могут удержать плазму, раскаленную до гигантских температур в десятки миллионов градусов, то в токамаке плазменный шнур удерживался мощным магнитным полем.

Но ведь надо не просто зажечь плазму, а удержать ее в течение определенного времени, чтобы плазма горела, работала, чтобы можно было получить как минимум столько же энергии, сколько было потрачено на ее зажигание. Поэтому сейчас на юге Франции, в Кадараше, с активным участием России, в том числе нашего центра, строится международный термоядерный реактор ITER. Это не термоядерная электростанция, а опытная установка, ее цель как раз и доказать такую возможность работы плазмы.

Вообще, проект ITER — это фактически переход к новым принципам овладения энергией, процессами ядерного синтеза, происходящими на Солнце, звездах. Такое трудно оценивать по каким-то шаблонам. Ведь поначалу никто не думал об экономических выгодах атомной энергетики, а сейчас – она основа современного энергетического развития.

Вопрос о том, какая будет термоядерная электростанция, — очень непростой и явно не ближайшего будущего. Но зато более близкая возможность применения плазменных технологий уже просматривается.

При термоядерном синтезе получается огромное количество нейтронов с большой энергией. Благодаря этому можно резко повысить эффективность установок, работающих на принципах деления тяжелых ядер. То есть можно создать гибридный реактор – например, термоядерный источник нейтронов окружить так называемым бланкетом, конструкцией, содержащей делящиеся ядра, например в виде жидких солей, в том числе урана-238. В Курчатовском институте уже ведутся работы в этом направлении.

С помощью жидкосолевых реакторов можно решать ресурсную проблему атомной энергетики путем использования тория-232, запасы которого на Земле велики, и превращения его в уран-233. Привлекательность концепции жидкосолевых реакторов, в отличие от традиционных реакторов с твердым топливом, заключается и в возможности изменения состава ядерного топлива без остановки реактора, вдобавок исключается накопление продуктов деления в его активной зоне. К тому же в одной и той же установке термоядерный источник может сочетаться с замкнутым ядерным топливным циклом.

Так что, на мой взгляд, гибридные реакторы – это реально достижимое использование термояда как источника нейтронов, способное приблизить, скажем так, "озеленение" атомной энергетики.

- Где, на ваш взгляд, еще могут быть найдены применения плазменных технологий?

Сегодня орбита наших геостационарных спутников корректируется с помощью установленных на них плазменных двигателей, разработанных Курчатовским институтом и производимых калининградским ОКБ "Факел". Идея этих так называемых двигателей Морозова относится еще к 60-м годам прошлого века.

Но далее возможно создание мощных безэлектродных плазменных ракетных двигателей. Такие двигатели уже можно будет применять для дальних межпланетных полетов. А следующий шаг – термоядерный ракетный двигатель на основе установки термоядерного синтеза, называемой "открытой ловушкой", из которой будет истекать плазма, создавая реактивную тягу. С помощью такого двигателя можно будет ускорять или замедлять движение, маневрировать в пространстве. Это принципиальная вещь и, по существу, приведет к смене парадигмы в космонавтике.

- Михаил Валентинович, в декабре 2015 года на встрече с президентом страны вы предложили принять отечественную термоядерную программу. Есть ли подвижки в этом направлении?

— Да. Есть соответствующее поручение президента страны. Кроме того, в начале июня нынешнего года мы подписали с "Росатомом" соглашения о создании двух межведомственных центров – центра плазменных и термоядерных исследований, а также центра нейтринных исследований.

Мы предлагали также Российской академии наук присоединиться к проектам обоих центров, но понимания, увы, не нашли. Зато отдельные академические институты выразили интерес – Физико-технический институт в Санкт-Петербурге, Институт ядерной физики в Новосибирске просят подключить их к этой работе.

Такие центры сейчас формируются. По центру плазменных и термоядерных исследований совместно с "Росатомом" создается программа исследований, ее концепция сформирована и заслушана на соответствующих научно-технических советах. Сейчас эта концепция направлена президенту страны.

- Вы говорили о "курчатовском эволюционном древе" ядерных реакторов. Но на стене в коридоре возле вашего кабинета висит еще одна схема – это "древо" самых разных технологий, вышедших из стен Курчатовского института. Там есть, например, и то, что сейчас называется технологиями живых систем.

— Мало кто знает, но отечественная молекулярная биология начиналась тоже в Курчатовском институте, в его радиобиологическом отделе, созданном по инициативе Курчатова в 1958 году.

Дело в том, что для понимания действия радиации на живые организмы было необходимо знать их устройство на молекулярном уровне. Курчатов, Александров в то время, когда были гонения на генетику, спасли это направление в СССР, потому что их мнение всегда было весомо для власти. Из радиобиологического отдела вышли затем Институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов (ГосНИИГенетики) и Институт молекулярной генетики. Сегодня науки о живом, нанобиотехнологии становятся магистральным направлением, более 70 процентов всех мировых исследований приходится именно на живые объекты. И наши отцы-основатели как в воду смотрели, выступив в поддержку работ в области биологии почти 60 лет назад.

- В последние годы работы по природоподобным технологиям стали одной из визитных карточек Курчатовского института. Нет ли здесь противоречия с теми направлениями, о которых вы рассказывали?

Нужен качественный скачок, переход на иные принципы прежде всего производства и потребления энергии, которые тянут за собой и все остальные сферы. В созданной человеком техносфере мы используем машины и механизмы, потребляющие колоссальное количество энергии. Технический прогресс нарушил своеобразный обмен веществ природы, создав враждебные ей технологии. Эти технологии, по сути, являются плохими копиями отдельных элементов природных процессов и базируются на узкоспециализированной модели науки и на отраслевых технологиях.

В целом такое развитие было неизбежно и закономерно, оно стало платой за технический прогресс, за комфорт нашей жизни. Но в итоге влияние человека на окружающий мир уже близко к критической черте. А ведь последние десятилетия в условиях глобализации в технологическое развитие, а фактически истребление ресурсов, вовлекаются все новые страны и регионы, приближая ресурсную катастрофу.

Можно двигаться в прежней парадигме, строить все новые атомные станции и увеличивать производство энергии, исчерпывая ресурсы до конца. Но есть и второй путь — создание принципиально новых технологий и систем использования энергии через гибридные материалы и системы на их основе, то есть замена сегодняшнего конечного энергопотребителя системами, воспроизводящими принципы живой природы – на порядки более экономичные и безопасные.

Крупнейшие суперкомпьютеры потребляют десятки мегаватт энергии. И как считается, ограничение компьютерных мощностей будет связано как раз с нехваткой энергии для них. Но человеческий мозг потребляет всего десять ватт – то есть в миллион раз меньше! Сегодня развитие науки достигло такого уровня, что становится уже возможным конструировать такие природоподобные материалы и системы.

Инструмент создания новой природоподобной техносферы – конвергентные нано-, био-, информационные, когнитивные и социогуманитарные технологии (НБИКС-технологии). Именно они стали вторым важнейшим магистральным направлением научного развития Курчатовского института в последние годы.

- А как на практике выглядит конкретный НБИКС-проект?

— Нанобиотехнологии уже стали новой технологической культурой, где на атомарном уровне стираются грани между живым и неживым, органическим природным миром и неорганикой. Дело ближайшего будущего – воспроизводство систем и процессов живой природы в виде синтетической клетки, массового создания искусственных тканей и органов, аддитивных технологий, использующих природный принцип формирования объектов, выращивая их, создавая под заказ.

Также активно развивается биоэнергетика, устройства, которые вырабатывают и используют энергию за счет естественных метаболических процессов в живых системах. Следующий шаг — создание искусственного интеллекта на основе когнитивных, информационных технологий и на материальной базе нано-био. Образно говоря, мы планируем создать компьютер, который и по производительности, и по энергопотреблению был бы сравним с нашим мозгом, на основе соединения новейших технологий с природоподобными.

К нашим исследованиям мы подтягиваем и мощную образовательную инфраструктуру – недалеко от Гатчины, в Петергофе, расположен физический факультет Санкт-Петербургского университета, деканом которого я являюсь. А здесь в Москве, на базе МФТИ, мы еще семь лет назад создали первый в мире факультет НБИКС-технологий, который каждый год поставляет в Курчатовский институт порядка 50 выпускников. Еще у нас действует целая междисциплинарная образовательная школьная программа, которую мы запустили совместно с правительством Москвы и в которой сегодня участвуют почти 40 школ.

- То есть, если можно выразиться одной фразой, будущее Курчатовского института – это, собственно, создание в нем самого будущего?

— Я бы сказал так — созидание. Для этого у нас все есть.

ria.ru

ядерная энергетика — про космос и вселенную и нашу жизнь.

Путь от первого ядерного котла до АЭС был практически в четыре раза дольше, чем дорога к ядерной бомбе Офицер охраны Дэен Филипс несет охрану на АЭС Diablo Canyon Пульт управления ядерной электростанцией Как устроен ядерный реактор АМ (Атом Мирный) Спустя пяти десятилетий по окончании собственного рождения ядерная энергетика занимает заметную долю в мировом производстве электричества Перезагрузка: техники следят за выключением реактора. По окончании открытия крышки в реактор загрузят новое горючее

«Я до сих пор изумляюсь, в то время, когда наблюдаю на ядерный реактор». Нильс Бор (Москва, 1961 г.)

В небольших частичках вещества — ядрах атомов — скрыта большая энергия. Судите сами. В ядерном реакторе, что поставляет электричество для круглосуточного свечения 10 миллионов стоваттных лампочек, за год работы исчезает всего 1 килограмм ядерного топлива из нескольких десятков тысячь киллограм.

Казалось бы, вот оно — энергетическое изобилие. В августе 1945 года американский журналист Джон О Нейл, вдохновленный мощью ядерной бомбы, написал в одной из собственных статей: «Производство ядерной энергии, без сомнений, будет очень недорогим В отечественных машинах со временем покажутся ядерные энергетические установки и нам не требуется будет заправляться горючим В относительно маленькие сроки мы сможем прекратить добычу угля».

Но время продемонстрировало, что американский журналист был чересчур оптимистичен. Потребовались десятилетия работы, лучшие научные умы и сложные инженерные ответы, дабы откусить мелкий кусочек от этого необъятного природного пирога. Лишь девять лет спустя первый реактор с символическим заглавием «Атом мирный» был подключен к мирной энергосети.

Это случилось неподалеку от Москвы, в маленьком поселке Обнинске на реке Протве, и с того времени 27 июня 1954 года считается днем рождения ядерной энергетики.

Окно в ядерную эру

Прямой путь к овладению ядерной энергией указало одно ответственное открытие, сделанное во второй половине 30-ых годов двадцатого века германскими физиками О. Ганом и Ф. Штрассманом. Они нашли деление ядер урана под действием нейтронов. Не прошло и месяца по окончании 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 нужно было ответить на принципиальный вопрос: какое количество в каждом акте деления получается новых нейтронов? Достаточно ли их для цепной реакции? Начались кропотливые опыты, и в итоге предположения подтвердились: было найдено, что при делении одного ядра урана высвобождается в среднем пара нейтронов — что-то порядка одного, двух либо трех.

Итак, предпосылки для цепной реакции были отысканы. Дальше стало известно, что главный компонент природного урана — уран-238 — в основном поглощает нейтроны, чем делится ими. А основной делящийся компонент — уран-235 — образовывает всего 0,7% в естественной смеси изотопов.

И не смотря на то, что при делении урана-235 образуется хватает нейтронов, большая часть из них исчезает напрасно, сталкиваясь с бессчётными ядрами главного изотопа. Как совладать с данной проблемой? Первый очевидный метод — обогащение урановой руды и выделении чистого изотопа урана-235.

Но по тем временам разделение изотопов урана в промышленных масштабах было чересчур трудоемким, а несложнее говоря, практически неисправимым делом. Более того, тогда еще никто точно не знал и не имел возможности сосчитать, сколько килограммов либо десятков (быть может, и сотен) килограммов этого продукта пригодится для запуска цепной реакции.

Второй путь предполагал применение естественной смеси изотопов урана и опирался на результаты опытов, каковые свидетельствовали, что более медлительно летящие (так именуемые тепловые) нейтроны значительно действеннее дробят ядра урана-235 и значительно меньше поглощаются ядрами урана-238. Следовательно, замедлив нейтроны, возможно уменьшить паразитное поглощение и расширить возможность деления. Замедлители также были известны: легкие вещества типа воды, углерода либо бериллия.

Первый ядерный «котел»

Потому, что нейтроны — главные участники цепной реакции, не страно, что опыты по сооружению первого ядерного «котла» возглавил основной по тем временам эксперт по нейтронам и лауреат Нобелевской премии Энрико Ферми, что эмигрировал из фашистской Италии и трудился в Колумбийском университете. Тут в первой половине 40-ых годов двадцатого века и начали строить пробную установку. В качестве замедлителя выбрали несложной и дешёвый много материал — углерод в форме графита.

Как вспоминал Ферми, физики, покрытые тёмной пылью окиси и графита урана, перетаскивали многокилограммовые блоки, и, сжалившись над ними, декан разрешил нанять для данной работы студентов-футболистов. Дело пошло радостнее — они значительно легче справлялись с упаковками уранового порошка весом по 20−40 кг. Но в то время, когда решетчатая конструкция из банок с окисью урана и приблизительно 30 т графита была наконец готова, результаты измерений обескуражили — нейтронов было не хватает для цепной реакции.

Подвело уровень качества материалов. В том месте, где любой нейтрон на счету, каждая примесь, поглощающая нейтроны, сводит все усилия на нет.

В первой половине 40-ых годов XX века команда физиков под управлением Ферми переехала в Чикаго, в Металлургическую лабораторию, где были сконцентрированы все главные научные силы по изучению цепной реакции. Опыты продолжились. Промышленность под давлением армейских неспешно повышала уровень качества поставляемого графита и обогащенного урана, и в итоге, если судить по экспериментальным данным, оно стало достаточным для осуществления цепной реакции.

Потому, что к октябрю 1942 года участок, приобретённый для лаборатории в Аргоннском лесу, был еще совсем не готов, возводить «котел» решили прямо в центре громадного города — на кортах для игры в сквош в спортгородке Университета Чикаго. Трудились целыми сутками, в две смены, укладывая слои графита и урановых блоков, причем самое качественное горючее — как возможно ближе к центру.

По окончании 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 приблизительно 3х4 метра из 385 тонн урана и 46 тонн графита. В ней были сделаны щели для древесных стержней, обитых кадмиевой жестью (кадмий очень сильно поглощает нейтроны и может остановить цепную реакцию).

Стержни вынимали лишь на время измерений, а после этого вводили в котел и закрывали на висячий замок, ключи от которого были лишь у глав смен.

Решающий момент наступил 2 декабря 1942 года. Согласно расчетам было собрано хватает слоёв для начала самоподдерживающейся цепной реакции. На опробовании находилось около 40 человек.

Это главенствовали образом физики, собиравшие установку. На всякий случай в конструкции предусмотрели аварийные стержни — достаточно было легко перерезать веревку, и они падали в котел, а пара добровольцев находились наверху с ведрами раствора кадмиевой соли, готовые при необходимости вылить его вовнутрь сооружения. Удалили все кадмиевые полосы, не считая одной, а после этого начали неспешно выдвигать и ее.

По окончании каждого шага измеряли количество нейтронов, и Ферми делал расчет на логарифмической линейке. В 2 часа 20 мин. дня, в то время, когда вынули 2,5 метра полосы, интенсивность начала расти все стремительнее и стремительнее, пока не стало ясно, что она может сделаться вечно большой. Тогда кадмиевые стержни вернули на место.

Первое опробование длилось 28 мин., котел удерживали при мощности не более полуватта, дабы свести к минимуму радиоактивное облучение, поскольку никакой защиты предусмотрено не было. По окончании остановки котла распили бутылку кьянти, а успешный финал опробований робко отметили у Ферми дома (не смотря на то, что супруга его так и осталась в неведении о обстоятельствах торжества). А на спортивных кортах университета, в том месте, где человеку в первый раз удалось осуществить управляемую цепную реакцию, сейчас стоит медный монумент.

Оловянно-керамический кристаллизатор

Путь от первого ядерного котла до АЭС был практически в четыре раза дольше, чем дорога к ядерной бомбе. Первыми промышленными установками с управляемой цепной реакцией деления стали реакторы чтобы получить плутоний-239 (что образуется при поглощении нейтронов ураном-238). Затем пришла очередь малых энергетических установок для подводных лодок, а в первой половине 50-ых годов XX века на умелой американской станции в Айдахо удалось кроме того взять мало электричества — его хватило, дабы зажечь целых четыре лампочки.

Неприятность заключалась в том, что для функционирования полноценной энергетической установки, аналогичной по мощности с тепловыми станциями, требовались совсем другие температурные и мощностные режимы. Дабы перевоплотить четыре лампочки в миллионы, необходимо не просто второе количество — второе уровень качества. Нужно организовать теплообмен при высоких высоких давлениях и тепловых потоках — вопросы эти были слабо изучены.

Топливные элементы в активной территории должны трудиться в условиях больших температур без разрушения, а конструкционные материалы — выдерживать огромные радиационные нагрузки. И все же в первой половине 50-ых годов двадцатого века в СССР было издано постановление о постройке экспериментальной реакторной установки — агрегата «АМ» (Атом Мирный). Все было засекречено, и в документах тех лет возможно встретить забавные шифрованные обозначения: уран назвали «активным полимером», нейтроны — «нулевыми точками», а уран-графитовый реактор — «оловянно-керамическим кристаллизатором».

Предлагалось пара 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 употребляется некипящая вода под давлением 100 воздухов.

Проектная мощность реактора — 30 МВт, но не из теоретических мыслей, а из-за в полной мере конкретных событий. В то время, в условиях неспециализированного разрухи и послевоенного дефицита, кроме того на таких приоритетных направлениях довольно часто приходилось ограничиваться имеющимися ресурсами. И вот в отыскивании турбоагрегата в Москве наткнулись на ветхую, снятую с эксплуатации турбину маленькой мощности — порядка 6 МВт, которая в полной мере доходила для умелой ядерной станции.

Характеристики данной турбины и выяснили в конечном счете мощность ядерной установки Первой АЭС.

Целый процесс сооружения ядерной станции, начиная с сентября 1951 года, воображал собой череду испытаний и экспериментов. Разбирая потенциальные аварийные обстановки, заключили , что при определенных параметрах реактора самое страшное — заполнение кладки водой, к примеру, при разрыве канала охлаждения. Тогда возрастает коэффициент размножения нейтронов, и мощность начинает увеличиваться. А при отключении подачи воды, напротив, цепная реакция всецело заканчивается.

Потом оказалось, что эти расчеты проверены самой природой: через 2 десятилетия в Габоне нашли природный ядерный реактор, трудившийся по такому «водяному» принципу.

Пара лабораторий занимались разработкой твэлов — тепловыделяющих элементов. Как раз они содержат ядерное топливо и находятся в самой агрессивной территории реактора. Сперва изготовили твэлы в виде металлических трубок, на каковые насаживались втулки из урана. Температурные опробования продемонстрировали, что эти трубки никуда не годятся — время их работы в рабочих тепловых потоках исчислялось всего несколькими часами.

В то время, когда чистый уран заменили сплавом с 9% молибдена, дела пошли лучше: срок работы увеличился до нескольких сот часов. Но самым успешным выяснилось ответ по диспергированию уранмолибденового сплава в магниевой матрице. Эта конструкция при опробованиях справлялась с тепловыми потоками, больше которых не имела возможности выдержать и сама установка.

В первых числах Мая 1954 года приступили к загрузке активной территории горючим. Первый полный набор ядерного топлива содержал 546 кг урана с 5-процентным обогащением ураном-235. Полтора месяца длились опробования, и вот 26 июня 1954 года в 17 часов 45 мин. пар был подан на турбину и первая в мире АЭС взяла промышленную нагрузку при мощности электрогенератора 1,5 МВт. А на следующий сутки об этом событии сказал ТАСС.

Но, до выхода на проектную нагрузку в 5 МВт сотрудникам и строителям станции еще в течение нескольких месяцев было нужно ликвидировать различные опасные ситуации и неожиданные проблемы, к примеру появление кислорода в кладке реактора. Но неспешно работа наладилась, а собственный экспериментальный темперамент Первая АЭС сохранила на все 48 лет эксплуатации: в центре ее активной территории был предусмотрен особый канал для физических опытов.

По грустной иронии судьбы в осеннюю пору 1954 года, в то время, когда первая мирная АЭС достигла собственной проектной мощности, погиб великий физик Энрико Ферми, которому в первый раз удалось обуздать цепную реакцию. А 29 апреля 2002 года реактор Первой АЭС был остановлен окончательно.

Пятьдесят на пятьдесят

Сейчас, спустя пяти десятилетий с момента собственного рождения, ядерная энергетика занимает заметную долю в мировом производстве электричества. Главная масса энергетических реакторов трудится на тепловых нейтронах с урановым горючим, как и Первая АЭС. В них имеется активная территория, твэлы, замедлитель, теплоноситель. Но на этом сходство и заканчивается.

В различных типах реакторов применяют различные замедлители, различные методы отвода тепла, различные конструкции тепловыделяющих элементов, различную степень обогащения урана. К примеру, канадским реакторам CANDU по большому счету достаточно необогащенного горючего — они смогут трудиться на естественной смеси изотопов урана.

Еще более перспективными считаются реакторы на стремительных нейтронах. Они трудятся без замедлителя, но требуют пара иного топлива — произведенного в простых (тепловых) реакторах плутония. Основное их преимущество с позиций энергетики — свойство в ходе работы не только создавать электричество, но и утилизировать негодный в качестве ядерного топлива уран-238 чтобы получить новые порций плутония.

Практически появляется возможность организовать так называемый «замкнутый топливный цикл». Но, пока природный уран относительно недорог и дешёв, эти технологии мало завлекают инвесторов, и за редким исключением реакторы на стремительных нейтронах — это легко реакторы-размножители для производства плутония и потенциальные установки для сжигания ядерных отходов.

Человек применяет энергию ядра атома уже 50 лет. Это до сих пор значительно сложнее, чем топить печку углем либо сжигать бензин в двигателе внутреннего сгорания. Начинка ядерных электростанций сделана из того же материала, что и ядерная бомба, и все эти долгие годы нас не покидает недоверия и интуитивное ощущение тревоги.

Быть может, еще лет через сто, в то время, когда подойдут к концу простые источники энергии, а возобновляемой замены им так и не найдется, у человечества не будет иного выбора, не считая ядерной энергетики. И будучи реалистом, председатель совета директоров МАГАТЭ Мохаммед эль-Барадеи, выступая в июне 2004 года на конференции в Москве, с опаской сообщил так: «на данный момент, в то время, когда ядерная энергетика отмечает собственный 50-летие, ее будущее — хоть оно, быть может, и делается многообещающим — все же неопределен».

Природный реактор

В первой половине семидесятых годов прошлого века в урановых копях Габона были отысканы следы необыкновенного процесса. По-видимому, два миллиарда лет назад тут функционировала саморегулирующаяся совокупность размером с маленький исследовательский реактор мощностью в 100 кВт. Ученые шепетильно изучили остатки урана, других изотопов и плутония и постарались вернуть картину этого необычного явления природы.

Мешик, Хохенберг и Правдивцева в собственной статье, размещённой в одном из октябрьских номеров издания Physical Review Letters за 2004 год, предположили таковой механизм: при заполнении уранового пласта водой начиналась цепная реакция, вода закипала и через 30 мин. выбрасывалась в виде пара, в отсутствие воды цепная реакция прекращалась, и приблизительно 2,5 часа реактор отдыхал, пока в нем снова не накапливалась вода. И без того длилось приблизительно 150 тысяч лет.

Цепная реакция деления ядер

Фигурки рабочих, окружающих знак радиоактивности, должны убедить визитёров английской АЭС Calder Hall в полной безопасности

Кое-какие ядра тяжелых элементов имеют свойства разваливаться на части при попадании в них нейтрона. Это явление именуется вынужденным делением. (Не редкость еще спонтанное деление, в то время, когда ядро внезапно самопроизвольно распадается на два фрагмента.) По окончании деления сумма весов фрагментов выясняется меньше массы исходного ядра, и эта отличие в соответствии с известной формулой E=mc2 преобразовывается в энергию перемещения.

В случае если собрать тепло, выделяющееся при торможении движущихся продуктов деления, возможно что-нибудь нагреть, а вдруг процесс деления самовоспроизводится, то он идет до тех пор, пока не кончатся способные к делению ядра (ядерное горючее). Помимо этого освобождаются лишние нейтроны, каковые также летят достаточно скоро (потому и именуются стремительными).

В случае если при начальном делении образуется хватает нейтронов, дабы позвать не одно, а пара новых делений, число образующихся нейтронов и количество актов деления начинает увеличиваться, что и свидетельствует цепную реакцию. Часть появившихся по окончании деления нейтронов может поглотиться вторыми ядрами без всякого деления, в этом случае размножения не происходит. К счастью, среди веществ имеется хорошие поглотители нейтронов, разрешающие остановить цепную реакцию либо осуществлять контроль ее.

Главный изотоп природного урана 238U фактически не делится, а с радостью поглощает нейтроны, преобразовываясь наряду с этим в плутоний — горючее еще более действенное, чем уран.

Современная ядерная энергетика

Быть может, лет через 100, в то время, когда подойдут к концу простые источники энергии, у человечества не будет другого выбора, не считая ядерной энергетики

Согласно данным МАГАТЭ, ядерная энергетика создаёт на данный момент 16% всемирный электричества, а в развитых государствах и того больше: во Франции — 78%, в Бельгии — 55%, в Германии — 28%, в Японии — 25%, в Соединенных Штатах — 20% и в Российской Федерации — 17%. Всего в мире действуют 442 ядерные станции и около 300 исследовательских реакторов, и порядка 250 судов, подводных лодок, авианосцев и ледоколов с ядерными установками на борту.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№30, апрель 2005).

Ядерная энергия в мирных целях, 1984

Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме:

• Мирный термояд: энергонадежды человечества

  Итак, свершилось! 28 июня собравшиеся в Москве представители России, США, Европейского союза, Японии, южной Кореи и Китая объявили, что интернациональный…

• Ядерный реактор у себя в сарае

  Ядерная индустрия — одна из наиболее значимых и развитых у нас: к примеру, на АЭС приходится 18% неспециализированной выработки электричества (а в…

• Углекислый газ способен революционизировать геотермальную энергетику

  До тех пор пока перед нами только концепция, но уже в будущем году компания Heat Mining обещает выстроить первую умелую электростанцию, которая будет…

• Ядерный реактор, который может работать на ядерных отходах

  Ядерная энергетика снабжает безуглеродное электричество, но все же существуют через чур весомые доводы для многих людей, каковые поддерживают…

• В солнечной энергетике сша занято больше людей, чем в угледобыче

  Американский сенатор Шелдон Уайтхаус (Sheldon Whitehouse) известен как приверженец бережного отношения к окружающей среде и еженедельно докладывает…

• В химках появится первый в россии центр альтернативной энергетики

  Проект по созданию Центра другой энергетики уже взял одобрение со стороны управления округа и соответствует одному из приоритетных направлений развития…

sovzondconference.ru

Так нужен ли низкоэнергетический ядерный котел / Реалии / Независимая газета

Разработка и производство перспективных альтернативных источников энергии не встречает понимания наверху

Работы по проекту международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР серьезно затянулись и выбились из бюджета. Фото с сайта www.iter.org

Одной из самых сложных научно-технических и конструкторско-технологических тем на современном этапе является проблема технической реализации так называемого холодного ядерного синтеза и низкоэнергетических ядерных реакций в мирных и военных целях. В этой области ядерной энергетики уже давно сделаны удивительные открытия. Ученые и изобретатели многих стран мира при поддержке национальных правительств уже практически решают задачу создания долговечных, безопасных, экологически чистых и компактных генераторов энергии на основе таких реакций. В России также есть подобные разработки, но почему-то нет к ним должного внимания. А ведь такие источники энергии крайне нужны современной армии, особенно при создании высокотехнологичных вооружений и военной техники.

НОВАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕВОЛЮЦИЯ

Мир стоит на пороге удивительных открытий, которые могут кардинально изменить основные направления научно-технического прогресса и жизнь на планете Земля. Правительства таких стран, как США, Япония, Китай и Индия, в последние годы начали серьезно относиться и активно поддерживать исследования и разработки в области так называемых низкоэнергетических ядерных реакций или LENR-технологий, включая и «холодный» ядерный синтез. Малогабаритные и экологически безопасные генераторы энергии на их основе с достаточно длительным (от полугода и более) сроком работы без подзарядки во многих случаях смогут успешно заменять традиционные источники тепловой и электрической энергии в жилищах, на объектах военного и гражданского назначения, а также в различных технических устройствах, сохраняя тем самым для последующих поколений далеко не безграничные углеводородные природные ресурсы.

В 2011 году в университете в Болонье конструктор Андреа Росси и профессор Болонского университета Серджио Фокарди презентовали энергетическую установку размером с обычный портфель – электронный генератор (катализатор) E-Cat, источником энергии в котором, по их мнению, были низкоэнергетические ядерные реакции (LENR). Проточная вода превращалась в пар с температурой в 105 градусов Цельсия. При этом не выделялось никаких радиоактивных излучений и опасных отходов, что невозможно для обычных ядерных и экспериментальных термоядерных реакторов.

К слову, до итальянца Росси аналогичное открытие было сделано еще в 60-х годах прошлого века в Советском Союзе. Автором его стал ведущий конструктор Иван Филимоненко, в связи с чем было принято даже секретное постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР. Из-за секретности он не мог в то время опубликовать полученные им на своей опытной установке положительные результаты. А они реально были. Однако и в тот, советский период руководство страны с подачи некоторых влиятельных ученых-физиков посчитало это открытие бесперспективным. Приоритеты и финансы были отданы работам по созданию термоядерных источников энергии. А само революционное открытие в ядерной физике назвали лженаучным. Такой мощной обструкции подверглось открытие в советский период. Оно продолжилось и в нынешнем веке. За отсутствием весомых аргументов против сделанного открытия некоторые российские борцы со лженаукой обвинили создателя генератора «избыточной» энергии E-Cat Андреа Росси в непрофессионализме.

А тем временем в США на высшем уровне обсуждаются работы по ядерным реакциям с низким энергопотреблением. По данным из открытых источников, там даже Сенат осведомлен о разработках в данной области, благодаря которым можно будет получать ультрачистую, недорогую возобновляемую энергию, что будет иметь сильные последствия для национальной безопасности. Например, по данным оборонного разведывательного агентства (DIA), если LENR будут работать, то это будет «разрушительная технология, которая может революционизировать производство и хранение энергии». Сенат также осведомлен о результатах аналитической работы Агентства по перспективным оборонным исследованиям (DARPA), утверждающего, что другие страны, включая Китай и Индию, продвигают свои собственные программы LENR и что Япония фактически создала собственный инвестиционный фонд для продвижения такой технологии.

Понять механизмы и принципы работы генераторов Росси, а тем более воспроизвести их или создать нечто подобное пытались многие ученые и изобретатели в самых различных странах мира. Однако только в России кандидат физико-математических наук Александр Пахомов в 2015 году на семинаре ученых-ядерщиков смог представить результаты своих экспериментов с созданной им копией реактора Росси, которая выработала в 2,5 раза больше энергии, чем потребила. В настоящее время Росси продвинулся далеко вперед в своих разработках и приступил к созданию роботизированного промышленного образца своих модельных электронных генераторов с целью выхода на коммерческий рынок в конце этого – начале следующего года. Известно также и о намерениях ряда других иностранных ученых и изобретателей завершить разработку и приступить в ближайшие годы к подготовке серийного производства своих альтернативных генераторов энергии на основе LENR-технологией. В Японии даже разработана национальная программа разработки и использования таких технологий для создания источников тепловой энергии для обогрева жилищ и электромобилей, а в перспективе – и для разработки источников электрической энергии для различных транспортных средств.

ВОЕННЫЕ ТОЖЕ ЗАИНТЕРЕСОВАНЫ

По прогнозам аналитиков, такое развитие событий может кардинально повлиять на региональные и глобальный рынок энергоресурсов. И, кроме того, на военное дело, ведь такие источники энергии крайне необходимы в качестве автономных батарей в различных видах наземной, воздушной и космической техники, особенно для боевых роботов длительного автономного действия и беспилотных летательных аппаратов (БЛА).

Может быть, все дело в пресловутой секретности, и в тиши какого-либо конструкторского бюро уже ведется разработка российского безопасного и долговечного чудо-генератора. А может, дело в том, что США, СССР и другие ведущие страны еще с середины прошлого века основным приоритетом изысканий по неиссякаемым источникам энергии избрали управляемый термоядерный синтез, в который вложено, по некоторым подсчетам, уже свыше 200 млрд долл. и других ресурсов. Сейчас это научно-конструкторское направление все еще является главным коммерческим двигателем современной физики, но за прошедшие десятилетия так и не было создано действующей «самодостаточной» экспериментальной термоядерной установки, не говоря уже о реальном прототипе термоядерной станции. А ведь ради этого правительства ряда стран, включая СССР, в конце 80-х годов прошлого столетия приняли решение о совместном строительстве на территории Франции международного термоядерного реактора (ИТЭР) мощностью 500 МВт. Однако сроки завершения его строительства постоянно отодвигаются, а стоимость растет (в настоящее время этот проект оценивается в 22 млрд долл.).

РАБОТА НА ПЕРСПЕКТИВУ

Перспективами многолетних и весьма дорогостоящих для бюджета даже такой богатой супердержавы, как США, национальных и международных термоядерных проектов постоянно интересовались в Конгрессе США. Последний раз это произошло в марте 2018 года, когда подкомитет Палаты представителей по энергетике организовал специальное слушание об исследованиях по этому вопросу. Однако, как стало известно СМИ, конгрессмены так и не смогли добиться от американских руководителей проекта ИТЭР ясных ответов, почему действующие опытные образцы термоядерных реакторов потребляют почти в 100 раз больше энергии, чем выдают. Но услышали, что для успешного эксперимента по созданию промышленного прототипа термоядерного реактора необходимо построить еще более мощный, чем ИТЭР, реактор, а значит, будьте готовы выделить для этого еще большие средства. Так что руководству национального исследовательского центра «Курчатовский институт», а также Российской академии наук, но прежде всего депутатам Госдумы и членам правительства РФ, которые формируют и утверждают госбюджет, есть над чем поразмыслить. Особенно в то время, когда в стране явно не хватает денег даже на питание детей в дошкольных учреждениях, не говоря уже о потребностях ускоренного развития национальной экономики и укрепления обороны государства.

При этом из открытых источников известно, что еще в 2012 году НАСА и компания Boeing провели исследования перспектив использования LENR как источника энергии для экологически чистых дозвуковых самолетов. Расчеты показали, что генераторы энергии на их основе позволят сократить эксплуатационные расходы такой авиатехники примерно на 33%. Миллиарды экономии.

Но на этом подобные исследования в самих Соединенных Штатах и в других странах не остановились. Масштабы исследований и экспериментальных разработок по созданию и использованию таких энергетических устройств в авиационной, космической и автомобильной технике (включая и образцы военного или двойного назначения), в последние годы постоянно возрастают. А дальше другие виды транспорта, связь и многое другое. А это экономия гигантских материальных и финансовых средств только на обеспечение оперативно-стратегической готовности, мобильности и боеспособности всех видов вооруженных сил. Не опоздать бы руководству нашего государства с выработкой и принятием правильных решений, чтобы навсегда не отстать в решении этой проблемы от передовых стран мира и их армий.

nvo.ng.ru

Реактор Ф-1 был и остается первым

И. Ларин«Наука и жизнь» №8, 2007

«Дедушка» отечественных ядерных реакторов, знаменитый первый физический реактор Ф-1, получивший статус памятника науки и техники, исправно работает со дня первого пуска уже больше 60 лет. Частицы его «атомного огня» были и в активной зоне первой в мире АЭС в Обнинске (1954), и в «ядерном сердце» первой отечественной подводной лодки (1958) и первого атомного ледокола (1959). Между тем история создания Ф-1 полна драматических событий и связана с именами выдающихся ученых, разрабатывавших первую в СССР атомную бомбу. О событиях того времени рассказывает ветеран отечественного реакторостроения Иван Иванович Ларин.

Создание Ф-1 стало одним из главных достижений Атомного проекта СССР (см. «Наука и жизнь» №№ 3, 7, 2000 г.; № 5, 2002 г.; №№ 1, 2, 2003 г.). Руководить им по рекомендации академика А.Ф. Иоффе поручили сотруднику Ленинградского физико-технического института сорокалетнему доктору физико-математических наук И.В. Курчатову. Он стал начальником Лаборатории № 2, созданной в апреле 1943 года распоряжением президиума АН СССР для проведения работ по атомной бомбе. Курчатов не был тогда даже членом-корреспондентом АН СССР, но его тут же избрали действительным членом академии. Лаборатории № 2 выделили большой участок земли площадью 120 га в районе Покровского-Стрешнева — в то время это была окраина Москвы.

В качестве ядерной взрывчатки можно было использовать изотоп урана-235 или практически отсутствующий в природе элемент плутоний. Этот элемент был найден в продуктах облучения нейтронами урана-238. Уран-235 выделяли из природной смеси изотопов с помощью сепарации, а плутоний получали в специальных устройствах, которые тогда называли атомными котлами (термин «ядерный реактор» стали применять с 1955 года). В котле протекает цепная реакция деления урана-235 с высвобождением большого количества теплоты, которую сейчас используют на атомных электростанциях. Плутоний же на АЭС становится, в сущности, побочным продуктом.

Курчатов понимал, что быстрее и дешевле сделать атомную бомбу с плутониевой начинкой. Значит, необходим котел, в котором нарабатывался бы оружейный плутоний.

Не обошлось и без столкновений идей и характеров, ведь проект возглавляли молодые, амбициозные ученые, не желавшие поступаться своими научными предпочтениями. Так, известный физик-ядерщик академик А.И. Алиханов, поначалу работавший в Лаборатории № 2, предлагал использовать в качестве замедлителя нейтронов тяжелую воду, которая практически не поглощала их. И.В. Курчатов собирался воспользоваться американским опытом и построить котел с замедлителем из графита, аргументируя свою позицию, в частности тем, что уран-графитовый котел обойдется дешевле и времени на его создание понадобится меньше.

В научной полемике никто не хотел уступать, и Курчатов вынужден был воспользоваться своим более высоким служебным положением. По воспоминаниям главы Министерства среднего машиностроения, курировавшего атомную отрасль, Е.П. Славского, на одном из совещаний Курчатов заявил: либо Лаборатория № 2 разрабатывает уран-графитовый котел, либо он отказывается от руководства проектом. Высшие руководители государства приняли точку зрения Курчатова. К слову, атомный котел на тяжелой воде построили в 1949 году в Теплотехнической лаборатории (ныне — Институт теоретической и экспериментальной физики им.  А.И. Алиханова), куда перешел А.И. Алиханов. Атомный котел этого типа также сыграл важную роль в создании ядерного оружия: в нем нарабатывали тритий для водородной бомбы.

Опыта сооружения устройств, подобных атомному котлу, у советских ученых и инженеров не было. Все делалось в первый раз. Для котла необходимы были уран, графит, новые конструкционные материалы. Ко всем компонентам предъявлялись неслыханные для того времени требования по химической чистоте, так как малейшие примеси поглощали нейтроны и цепная реакция срывалась.

Теорию и методики расчета надо было разрабатывать на ходу, поэтому сразу браться за строительство котла для выработки плутония в количествах, достаточных для создания бомбы, было бы несерьезно. Решили вначале построить небольшой котел — прототип будущих промышленных реакторов.

Работа пошла по всем направлениям одновременно. К оперативному решению возникавших задач были привлечены многие академические и ведомственные научно-исследовательские и проектные институты (среди них московские Институт физических проблем, Физический институт, Институт физической химии, Институт редких металлов, НИИ графита), а также несколько заводов, в частности завод № 12 в Электростали, где были подходящие плавильные печи.

Академпроекту, который возглавлял известный архитектор А.В.  Щусев, было поручено спроектировать здание для атомного котла. Физики ожидали, что от котла будет сильное излучение, поэтому бoльшую часть здания решили расположить ниже уровня земли. К возведению сооружения приступили в начале 1946 года, для чего привлекли строительные части МВД.

Тем временем также участвовавшие в Атомном проекте Ю. Б. Харитон, Я. Б. Зельдович, И. Я. Померанчук, И. И. Гуревич разрабатывали теорию котла и методики его расчета, а З. В. Ершова и Н. П. Сажин — технологию получения урана. В декабре 1943 года был произведен первый килограмм металлического урана в слитке. Производством сверхчистого графита занимались В. В. Гончаров и Н. Ф. Правдюк совместно со специалистами Московского электродного завода — те имели большой опыт работы с графитом, из которого изготовляли электроды дуговых источников света.

Урана, которого требовались сотни тонн, в стране практически не было, и его собирали буквально по граммам. Из оккупированной Германии вывезли найденные там остатки урана и его руды (основная масса досталась американцам). Срочно по всей стране были организованы геологические экспедиции для поиска месторождений урана. Рудники появились в Узбекистане, Таджикистане, Киргизии, на Украине. Руду из горных районов Средней Азии к железной дороге зачастую доставляли на ишаках.

Из металлического урана на заводе в Электростали начали производить блочки — цилиндры диаметром 32 мм и длиной 100 мм. В разработке технологии принимали участие немецкие специалисты. Впоследствии одному из них, Н. Рилю, присвоили звание Героя Социалистического Труда.

Здание для атомного котла, по соображениям секретности, называли в документах и в обиходе «монтажными мастерскими». Вообще, все документы, связанные с Атомным проектом, шли под грифами «совершенно секретно», «особая папка». Применялась и особая система шифровки: так, котел называли «электролизером», вместо слова «уран» писали «кремний» и т. д. Люди при поступлении в Лабораторию № 2 проходили многомесячные проверки и подписывали обязательства о строгом сохранении тайны.

Строительство одноэтажного здания «монтажных мастерских» с котлованом для котла глубиной 7 м и с подземным входом закончили в июле 1946 года.

Так как теория процессов, протекающих в котле, не имела экспериментальных подтверждений, И.В. Курчатов решил продвигаться к расчетному диаметру котла, составлявшему около 6 м, шажками, начав с небольшой модели. Первая уран-графитовая сферическая сборка имела диаметр 1,8 м, а предпоследняя, четвертая — 5,6 м. Все работы вручную выполнял коллектив так называемого сектора № 1 численностью около 30 человек, среди которых около четверти составляли женщины. Сотрудникам пришлось пять раз собирать и разбирать сферу. Графитовые призмы и урановые блочки таскали буквально «на пузе». А ведь это несколько сотен тонн! Иногда в такелажных работах принимал участие и сам Игорь Васильевич.

Специалисты Лаборатории № 2 И. С. Панасюк, Б. Г. Дубовский, И. Ф. Жежерун, К. Н. Шлягин, Н. В. Макаров, Е. Н. Бабулевич и другие конструировали и изготовляли приборы для систем управления, контроля и дозиметрии.

В ноябре 1946 года началась сборка самого котла. Для этого послойно укладывали графитовые брикеты размером 100×100×600 мм с тремя цилиндрическими отверстиями, в которые вставляли урановые блочки.

Активную зону котла, который в документах назывался Ф-1 (первый физический), оборудовали поглощающими кадмиевыми стержнями для управления цепной реакцией, а также датчиками и приборами контроля нейтронного потока. После укладки очередного слоя поглощающие стержни извлекали и измеряли нейтронный поток, который нарастал по мере увеличения высоты конструкции.

К вечеру 25 декабря 1946 года был уложен последний 62-й слой активной зоны. Перед тем как поднять поглощающие стержни, еще раз проверили все системы безопасности. Но на всякий случай возле троса, на котором был подвешен кадмиевый стержень аварийной защиты, Игорь Васильевич велел положить самый обыкновенный топор: если возникнет аварийная ситуация, а приборы защиты не сработают, трос нужно было перерубить, тогда стержень упадет в активную зону и прервет цепную реакцию.

У пульта управления остались только ответственные за работу основных систем котла и уполномоченный Совета министров Н.И. Павлов. Игорь Васильевич сам сел за пульт и начал извлекать из активной зоны кадмиевые стержни. Счетчик радиации — «щелкун» — зафиксировал нейтронный поток, который рос в геометрической прогрессии. Когда, по показаниям гальванометра, выделяемая в котле тепловая мощность достигла нескольких десятков ватт, Курчатов с помощью регулирующих стержней стабилизировал процесс и вскоре, используя стержень аварийной защиты, заглушил реакцию. Всего в этот день котел проработал около четырех часов.

Об успешном пуске котла Игорь Васильевич сразу же сообщил главному куратору Атомного проекта Л.П. Берия. Тот, не очень доверяя ученым и желая перед докладом Сталину убедиться во всем своими глазами, попросил Курчатова на следующий день еще раз запустить ядерную реакцию в его присутствии. Пуск котла, естественно, повторили.

В активной зоне котла находилось 400 т графита и 50 т урана. Практически с первого же дня котел стали эксплуатировать в круглосуточном режиме при мощности от 100 Вт до 1000 кВт. Специальной системы теплоотвода не было, и при работе на больших мощностях тепло аккумулировалось в большой массе графита. Затем графитовую кладку охлаждали струей воздуха от вентилятора.

В официальном отчете руководству страны Курчатов писал: «В результате большой и напряженной работы, проведенной коллективом в течение июля 1943 — декабря 1946 года, удалось 25 декабря 1946 года в 18 часов впервые наблюдать цепную саморазвивающуюся реакцию в осуществленном надкритическом уран-графитовом котле с практически полным и, по-видимому, самым рациональным использованием всех изготовленных к этому времени урановых и графитовых блоков».

Таким образом, от момента организации Лаборатории № 2 АН СССР до пуска первого котла Ф-1 прошло менее четырех лет. За этот сравнительно небольшой срок ученым удалось создать основы теории ядерных процессов в атомном котле, наладить производство урановых тепловыделяющих элементов и сверхчистого графита, сконструировать и изготовить приборы контроля и управления цепной реакцией и, наконец, построить сам котел.

В котле Ф-1 были получены значительные, так называемые весовые количества плутония (до этого физики располагали лишь совсем малым, индикаторным, количеством этого элемента, достаточным лишь для идентификации; его получали в лаборатории с использованием источника нейтронов). Блочки, в которых часть урана-238 превратилась в плутоний, доставили в НИИ-9, руководимый А.А. Бочваром. Сотрудники института выделили новый элемент и приступили к исследованиям его ядерных и физико-химических свойств, без чего невозможно было сконструировать атомную бомбу.

Чтобы наработать необходимое химикам количество плутония, котел нужно было хотя бы периодически выводить на мощность в несколько сотен киловатт. Но поскольку биологической защиты у котла практически не было, около здания отмечался очень высокий радиационный фон. Во время работы котла в форсированном режиме им управляли из помещения, расположенного на расстоянии около 500 м, а на крыше «монтажных мастерских» загорался большой красный фонарь. Этот сигнал предупреждал сотрудников Лаборатории об опасности, о том, что к зданию подходить нельзя.

Опыт эксплуатации Ф-1 позволил приступить к строительству на Урале (ныне — город Озерск) первого промышленного котла И-1 мощностью 100 тысяч киловатт. Он заработал в июне 1948 года. К лету 1949 года из облученного в нем урана было выделено примерно 4 кг плутония, из которого под руководством Ю.Б. Харитона в Арзамасе-16 (ныне — город Саров) были изготовлены первый ядерный заряд и первая ядерная бомба. Ее успешные испытания прошли в августе 1949 года на полигоне под Семипалатинском.

Даже когда практическая надобность в реакторе Ф-1 отпала, его решили не разбирать, как это сделали американцы с первым реактором Ферми. И, как оказалось, не напрасно. Ветеран продолжает работать на старом месте, и благодаря высокой стабильности нейтронного потока его используют в качестве эталона для калибровки аппаратуры, предназначенной для реакторов новых АЭС.

elementy.ru

70 лет назад был запущен первый отечественный ядерный реактор Ф-1

Ядерный реактор был создан для реализации советского атомного проекта, в первую очередь - для разработки ядерного оружия. Запуск стал для страны гигантским научным прорывом. Котел построили в Москве, на территории нынешнего "Курчатовского института" в атмосфере строгой секретности.

Это сейчас на здании красуется памятная табличка в честь первого ядерного реактора, а 70 лет назад этот сверхсекретный объект значился как монтажные мастерские или Лаборатория №2. И мало кто знал, что скрывают эти стены.

К строительству первого советского реактора привлекли лучшего в то время архитектора, Алексея Щусева, автора мавзолея на Красной площади. Но дом получился необычным, как видите, в нем нет ни одной двери. Ответ прост - вход напротив, за дверью.

По крутой металлической лестнице и узким коридорам спускаемся вниз. Из соображений безопасности реактор, который в те годы еще назывался атомным котлом, расположен на глубине 10 метров, ровно под Щусевским зданием.

Вот он первый советский реактор. Собирали его по слоям. Реакция началась, когда высота реактора достигла 62 слоев. Все 400 тонн графита и 50 тонн урана сотрудники лаборатории №2 перетаскали в буквальном слове на своих плечах. И более того - эксперимент 70 лет назад проводился тоже вручную.

Для начала реакции необходимо вынуть из урано-графитной кладки тормозящие кадмиевые стержни. Делалось это вручную, при помощи лебедки, миллиметр за миллиметром. Нужна предельная осторожность. Реактор мог взорваться. За пульт сел сам Курчатов, остальных попросили покинуть подвал.

«Если вытащить просто стержни, которые опускались в реактор поглощающий, то он станет критическим. А вот на какую высоту поднять, конечно, не знали, и тут начался эксперимент. Сначала просто небольшими шагами по 10-20 сантиметров поднимали и проверяли», - рассказывает ветеран атомной промышленности Николай Кухаркин.

Наблюдать за тем, насколько подняты стержни, можно было одним единственным способом - через перископ. Такой же, как в то время устанавливали на подводных лодках. Рядом Курчатов положил топор.

«Стержни - это единственное, что может остановить цепную реакцию. Ну, представьте, что у вас висит стержень на тросе, вы перерубили трос, и он упал. Много способов придумали, как останавливать потом реакторы. Но тогда-то ничего другого не было», - вспоминает ветеран атомной промышленности Андрей Гагаринский.

Топор в итоге не понадобился. Эксперимент прошел успешно. Советским ученым впервые удалось провести управляемую цепную реакцию. На память в комнате остановили часы. Они и сейчас показывают 6 – время, с которого началась новая эра.

«Это демонстрация успеха советской науки, которая смогла в тяжелейших условиях войны, в таких вот диких условиях абсолютно, когда не было ничего, сделать такой рывок могучий, реальный, который определил лицо цивилизации на многие десятилетия. И, конечно, с сегодняшних дней если оценивать вот это действие, то я бы сказал, что мы с вами сохранились как суверенное государство только потому, что наши предшественники сумели создать ядерное оружие», - считает Михаил Ковальчук.

Задачей создания реактора с самого начала была разработка ядерного оружия. После того как в 1945 американцы сбросили атомную бомбу на Японию, Советский Союз уже не мог спать спокойно. Но для оружия сдерживания необходим несуществующий в природе плутоний. Добыть его можно только в результате ядерной реакции урана. Поэтому уже через три года после запуска реактора Ф-1 Советский Союз провел и первые испытания атомной бомбы. Паритет был восстановлен.

«У нас есть такая картинка, называется курчатовское реакторное древо. Вот как из него дальше родились сотни созданных реакторов, включая реакторы энергетические, реакторы исследовательские, реакторы ядерно-энергетические устройства. Это атомные подводные лодки, корабли, атомные ледоколы и так далее. То есть вот из этого Ф-1 выросло все то, что сегодня создает нашу основу, основу нашего развития, конкурентоспособность в самых сложных наукоемких высокотехнологичных областях. Вы же понимаете, что в области ядерной технологии у нас конкурентов практически раз, два, мы фактически сегодня имеем замкнутый цикл полностью, чуть ли не одна страна в мире, так аккуратно скажем», - говорит Михаил Ковальчук.

Первый советский атомный котел долгое время был в строю. Несмотря на возраст, его использовали для ядерных исследований. Сегодня здесь открыли современный музей, куда прийти может каждый. Эта редкая возможность не только увидеть атомный реактор, сейчас он заглушен и совершенно безопасен, но и в буквальном смысле слова прикоснуться к истории.

www.1tv.ru

Первый атомный реактор в СССР и Европе Ф-1 был запущен 25 декабря 1946 года

«Дедушка» отечественных ядерных реакторов, знаменитый первый физический реактор Ф-1, получивший статус памятника науки и техники, исправно работает со дня первого пуска уже 69 лет. Частицы его «атомного огня» были и в активной зоне первой в мире АЭС в Обнинске (1954), и в «ядерном сердце» первой отечественной подводной лодки (1958) и первого атомного ледокола (1959). Между тем история создания Ф-1 полна драматических событий и связана с именами выдающихся ученых, разрабатывавших первую в СССР атомную бомбу. О событиях того времени рассказывает ветеран отечественного реакторостроения Иван Иванович Ларин.

Создание Ф-1 стало одним из главных достижений Атомного проекта СССР. Руководить им по рекомендации академика А.Ф. Иоффе поручили сотруднику Ленинградского физико-технического института сорокалетнему доктору физико-математических наук И.В. Курчатову. Он стал начальником Лаборатории № 2, созданной в апреле 1943 года распоряжением президиума АН СССР для проведения работ по атомной бомбе. Курчатов не был тогда даже членом-корреспондентом АН СССР, но его тут же избрали действительным членом академии. Лаборатории № 2 выделили большой участок земли площадью 120 га в районе Покровского-Стрешнева — в то время это была окраина Москвы.

В качестве ядерной взрывчатки можно было использовать изотоп урана-235 или практически отсутствующий в природе элемент плутоний. Этот элемент был найден в продуктах облучения нейтронами урана-238. Уран-235 выделяли из природной смеси изотопов с помощью сепарации, а плутоний получали в специальных устройствах, которые тогда называли атомными котлами (термин «ядерный реактор» стали применять с 1955 года). В котле протекает цепная реакция деления урана-235 с высвобождением большого количества теплоты, которую сейчас используют на атомных электростанциях. Плутоний же на АЭС становится, в сущности, побочным продуктом.

Курчатов понимал, что быстрее и дешевле сделать атомную бомбу с плутониевой начинкой. Значит, необходим котел, в котором нарабатывался бы оружейный плутоний.

Не обошлось и без столкновений идей и характеров, ведь проект возглавляли молодые, амбициозные ученые, не желавшие поступаться своими научными предпочтениями. Так, известный физик-ядерщик академик А.И. Алиханов, поначалу работавший в Лаборатории № 2, предлагал использовать в качестве замедлителя нейтронов тяжелую воду, которая практически не поглощала их. И.В. Курчатов собирался воспользоваться американским опытом и построить котел с замедлителем из графита, аргументируя свою позицию, в частности, тем, что уран-графитовый котел обойдется дешевле и времени на его создание понадобится меньше.

В научной полемике никто не хотел уступать, и Курчатов вынужден был воспользоваться своим более высоким служебным положением. По воспоминаниям главы Министерства среднего машиностроения, курировавшего атомную отрасль, Е.П. Славского, на одном из совещаний Курчатов заявил: либо Лаборатория № 2 разрабатывает уран-графитовый котел, либо он отказывается от руководства проектом. Высшие руководители государства приняли точку зрения Курчатова. К слову, атомный котел на тяжелой воде построили в 1949 году в Теплотехнической лаборатории (ныне — Институт теоретической и экспериментальной физики им.  А.И. Алиханова), куда перешел А.И. Алиханов. Атомный котел этого типа также сыграл важную роль в создании ядерного оружия: в нем нарабатывали тритий для водородной бомбы.

Опыта сооружения устройств, подобных атомному котлу, у советских ученых и инженеров не было. Все делалось в первый раз. Для котла необходимы были уран, графит, новые конструкционные материалы. Ко всем компонентам предъявлялись неслыханные для того времени требования по химической чистоте, так как малейшие примеси поглощали нейтроны и цепная реакция срывалась.

Теорию и методики расчета надо было разрабатывать на ходу, поэтому сразу браться за строительство котла для выработки плутония в количествах, достаточных для создания бомбы, было бы несерьезно. Решили вначале построить небольшой котел — прототип будущих промышленных реакторов.

Работа пошла по всем направлениям одновременно. К оперативному решению возникавших задач были привлечены многие академические и ведомственные научно-исследовательские и проектные институты (среди них московские Институт физических проблем, Физический институт, Институт физической химии, Институт редких металлов, НИИ графита), а также несколько заводов, в частности завод № 12 в Электростали, где были подходящие плавильные печи.

Академпроекту, который возглавлял известный архитектор А.В.  Щусев, было поручено спроектировать здание для атомного котла. Физики ожидали, что от котла будет сильное излучение, поэтому бoльшую часть здания решили расположить ниже уровня земли. К возведению сооружения приступили в начале 1946 года, для чего привлекли строительные части МВД.

Тем временем также участвовавшие в Атомном проекте Ю.Б. Харитон, Я.Б. Зельдович, И.Я. Померанчук, И.И. Гуревич разрабатывали теорию котла и методики его расчета, а З.В. Ершова и Н.П. Сажин — технологию получения урана. В декабре 1943 года был произведен первый килограмм металлического урана в слитке. Производством сверхчистого графита занимались В.В. Гончаров и Н.Ф. Правдюк совместно со специалистами Московского электродного завода — те имели большой опыт работы с графитом, из которого изготавливали электроды дуговых источников света.

Урана, которого требовались сотни тонн, в стране практически не было, и его собирали буквально по граммам. Из оккупированной Германии вывезли найденные там остатки урана и его руды (основная масса досталась американцам). Срочно по всей стране были организованы геологические экспедиции для поиска месторождений урана. Рудники появились в Узбекистане, Таджикистане, Киргизии, на Украине. Руду из горных районов Средней Азии к железной дороге зачастую доставляли на ишаках.

Из металлического урана на заводе в Электростали начали производить блочки — цилиндры диаметром 32 мм и длиной 100 мм. В разработке технологии принимали участие немецкие специалисты. Впоследствии одному из них, Н. Рилю, присвоили звание Героя Социалистического Труда.

Здание для атомного котла, по соображениям секретности, называли в документах и в обиходе «монтажными мастерскими». Вообще, все документы, связанные с Атомным проектом, шли под грифами «совершенно секретно», «особая папка». Применялась и особая система шифровки: так, котел называли «электролизером», вместо слова «уран» писали «кремний» и т. д. Люди при поступлении в Лабораторию № 2 проходили многомесячные проверки и подписывали обязательства о строгом сохранении тайны.

Строительство одноэтажного здания «монтажных мастерских» с котлованом для котла глубиной 7 м и с подземным входом закончили в июле 1946 года.

Так как теория процессов, протекающих в котле, не имела экспериментальных подтверждений, И.В. Курчатов решил продвигаться к расчетному диаметру котла, составлявшему около 6 м, шажками, начав с небольшой модели. Первая уран-графитовая сферическая сборка имела диаметр 1,8 м, а предпоследняя, четвертая — 5,6 м. Все работы вручную выполнял коллектив так называемого сектора № 1 численностью около 30 человек, среди которых около четверти составляли женщины. Сотрудникам пришлось пять раз собирать и разбирать сферу. Графитовые призмы и урановые блочки таскали буквально «на пузе». А ведь это несколько сотен тонн! Иногда в такелажных работах принимал участие и сам Игорь Васильевич.

Специалисты Лаборатории № 2 И.С. Панасюк, Б.Г. Дубовский, И.Ф. Жежерун, К.Н. Шлягин, Н.В. Макаров, Е.Н. Бабулевич и другие конструировали и изготовляли приборы для систем управления, контроля и дозиметрии.

В ноябре 1946 года началась сборка самого котла. Для этого послойно укладывали графитовые брикеты размером 100×100×600 мм с тремя цилиндрическими отверстиями, в которые вставляли урановые блочки.

Активную зону котла, который в документах назывался Ф-1 (первый физический), оборудовали поглощающими кадмиевыми стержнями для управления цепной реакцией, а также датчиками и приборами контроля нейтронного потока. После укладки очередного слоя поглощающие стержни извлекали и измеряли нейтронный поток, который нарастал по мере увеличения высоты конструкции.

К вечеру 25 декабря 1946 года был уложен последний, 62-й слой активной зоны. Перед тем как поднять поглощающие стержни, еще раз проверили все системы безопасности. Но на всякий случай возле троса, на котором был подвешен кадмиевый стержень аварийной защиты, Игорь Васильевич велел положить самый обыкновенный топор: если возникнет аварийная ситуация, а приборы защиты не сработают, трос нужно было перерубить, тогда стержень упадет в активную зону и прервет цепную реакцию.

У пульта управления остались только ответственные за работу основных систем котла и уполномоченный Совета министров Н.И. Павлов. Игорь Васильевич сам сел за пульт и начал извлекать из активной зоны кадмиевые стержни. Счетчик радиации — «щелкун» — зафиксировал нейтронный поток, который рос в геометрической прогрессии. Когда, по показаниям гальванометра, выделяемая в котле тепловая мощность достигла нескольких десятков ватт, Курчатов с помощью регулирующих стержней стабилизировал процесс и вскоре, используя стержень аварийной защиты, заглушил реакцию. Всего в этот день котел проработал около четырех часов.

Об успешном пуске котла Игорь Васильевич сразу же сообщил главному куратору Атомного проекта Л.П. Берии. Тот, не очень доверяя ученым и желая перед докладом Сталину убедиться во всем своими глазами, попросил Курчатова на следующий день еще раз запустить ядерную реакцию в его присутствии. Пуск котла, естественно, повторили.

В активной зоне котла находилось 400 т графита и 50 т урана. Практически с первого же дня котел стали эксплуатировать в круглосуточном режиме при мощности от 100 Вт до 1000 кВт. Специальной системы теплоотвода не было, и при работе на больших мощностях тепло аккумулировалось в большой массе графита. Затем графитовую кладку охлаждали струей воздуха от вентилятора.

В официальном отчете руководству страны Курчатов писал: «В результате большой и напряженной работы, проведенной коллективом в течение июля 1943 — декабря 1946 года, удалось 25 декабря 1946 года в 18 часов впервые наблюдать цепную саморазвивающуюся реакцию в осуществленном надкритическом уран-графитовом котле с практически полным и, по-видимому, самым рациональным использованием всех изготовленных к этому времени урановых и графитовых блоков».

Таким образом, от момента организации Лаборатории № 2 АН СССР до пуска первого котла Ф-1 прошло менее четырех лет. За этот сравнительно небольшой срок ученым удалось создать основы теории ядерных процессов в атомном котле, наладить производство урановых тепловыделяющих элементов и сверхчистого графита, сконструировать и изготовить приборы контроля и управления цепной реакцией и, наконец, построить сам котел.

В котле Ф-1 были получены значительные, так называемые весовые, количества плутония (до этого физики располагали лишь совсем малым, индикаторным, количеством этого элемента, достаточным лишь для идентификации; его получали в лаборатории с использованием источника нейтронов). Блочки, в которых часть урана-238 превратилась в плутоний, доставили в НИИ-9, руководимый А.А. Бочваром. Сотрудники института выделили новый элемент и приступили к исследованиям его ядерных и физико-химических свойств, без чего невозможно было сконструировать атомную бомбу.

Чтобы наработать необходимое химикам количество плутония, котел нужно было хотя бы периодически выводить на мощность в несколько сотен киловатт. Но поскольку биологической защиты у котла практически не было, около здания отмечался очень высокий радиационный фон. Во время работы котла в форсированном режиме им управляли из помещения, расположенного на расстоянии около 500 м, а на крыше «монтажных мастерских» загорался большой красный фонарь. Этот сигнал предупреждал сотрудников Лаборатории об опасности, о том, что к зданию подходить нельзя.

Опыт эксплуатации Ф-1 позволил приступить к строительству на Урале (ныне — город Озерск) первого промышленного котла И-1 мощностью 100 тысяч киловатт. Он заработал в июне 1948 года. К лету 1949 года из облученного в нем урана было выделено примерно 4 кг плутония, из которого под руководством Ю.Б. Харитона в Арзамасе-16 (ныне — город Саров) были изготовлены первый ядерный заряд и первая ядерная бомба. Ее успешные испытания прошли в августе 1949 года на полигоне под Семипалатинском.

Даже когда практическая надобность в реакторе Ф-1 отпала, его решили не разбирать, как это сделали американцы с первым реактором Ферми. И, как оказалось, не напрасно. Ветеран продолжает работать на старом месте, и благодаря высокой стабильности нейтронного потока его используют в качестве эталона для калибровки аппаратуры, предназначенной для реакторов новых АЭС.


«Наука и жизнь» №8, 2007

xn--o1agc1b.xn--p1ai

Смотрите также

• 
  Алексей котлов втб
• 
  Скайрим ферма котлы
• 
  Книга киевский котел
• 
  Киевский котел книга
• 
  Котлов алексей втб
• 
  Котел ангара авто
• 
  Мойщик котлов вакансии
• 
  Вакансии мойщик котлов
• 
  Railcraft паровой котел
• 
  Монтаж котлов галант
• 
  Гляделка для котла