Новости – Общество
Общество
К реакторам четвертого поколения
Первый советский реактор Ф–1. Фото: пресс–служба НИЦ «Курчатовский институт»
Атомная энергия в России — от первого опытного реактора в Москве до сверхсовременных АЭС в Финляндии и плавучих электростанций будущего
1 июля, 2015 17:20
19 мин
В 2015 году российская атомная отрасль отмечает 70–летний юбилей. За это время она сумела перейти от догоняющего развития к опережающему: если первые реакторы в стране создавались с целью ликвидировать катастрофическое отставание от США в разработке ядерного оружия, то сегодня отечественные инженеры и ученые остаются в числе мировых лидеров. На долю АЭС приходится около 17% вырабатываемой в России энергии, а для некоторых районов Европейской части эта цифра превышает и 30%. Наши специалисты возводят станции по всему миру, от Африки до Скандинавии — и обещают новые технологические прорывы.
Об истории и сегодняшнем дне ядерной энергетики «Русская планета» поговорила с заместителем директора НИЦ «Курчатовский институт» по научной работе, доктором технических наук Ярославом Игоревичем Штромбахом.
Ярослав Штромбах
Ярослав Штромбах. Фото: Пресс–служба НИЦ «Курчатовский институт»
— Ярослав Игоревич, принято считать, что первая действующая АЭС в мире — Обнинская. Почему получилось так, что работы над «атомным проектом» в нашей стране начались на несколько лет позже, чем в США, оружие было создано на четыре года позднее, а вот первая рабочая АЭС — российская?
— Надо вспомнить, что в Соединенных Штатах работы над «атомным проектом» начались после известного письма Эйнштейна президенту Рузвельту, отправленного в середине 1939 года. Оно возбудило в США внимание к работам, которые в те годы проходили в Германии, и заставило американцев приступить к собственному «атомному проекту». Огромным преимуществом США оказалось привлечение к этим работам целой плеяды выдающихся ученых–эмигрантов, беженцев из фашистской Германии, из Италии — например, таких, как Энрико Ферми. Именно под его руководством в 1942 году в Чикаго был запущен первый в истории ядерный реактор СР–1.
Первый советский реактор Ф–1 начал работу 25 декабря 1946–го. Он находится как раз у нас, в Москве, на территории Лаборатории №2 АН СССР — нынешнего Курчатовского института. Ф–1 до сих пор является действующим, хотя в настоящее время переходит уже в статус музея. Реактор Ф-1 - это примерно 500 т графита, более 30 т урана. Именно здесь удалось провести первую на Евразийском континенте реакцию деления ядер.
Первый советский реактор Ф–1 — это подлинно уникальное достижение, памятник науки и техники, это большой подвиг наших ученых. При том, что в нем были использованы некоторые схемы и подходы, добытые нашей разведкой, это были лишь общие принципы, а действительно работающий реактор нам пришлось создавать самостоятельно, решая массу сложнейших проблем. Надо было найти методы получения урана, рассчитать и спрогнозировать все процессы, даже графит реактору требуется необычный, ядерно-чистый, и научиться его получать было громадной научной и технической задачей, и она была реализована в кратчайшие сроки в разоренной войной стране.
Обнинская атомная электростанция была запущена в 1954 году, став первой в мире действующей АЭС. Впрочем, на мой взгляд, это было не только революционное достижение, но и серьезный успех в борьбе за приоритет. Иногда на Западе указывают, что первый ток под промышленную нагрузку дал американский реактор, запущенный при Эйзенхауэре. Действительно, подключить к ядерному реактору генератор и получить электроэнергию — не так уж и сложно. Тем не менее наш приоритет неоспорим, поскольку в Обнинске была пущена первая полноценная АЭС, подключенная к гражданской сети.
Возвращаясь к реактору Ф-1 — когда на нем были получены первые нейтроны, он перешел в рабочий режим, на востоке Европейской части страны быстро развернулось строительство новых реакторов, на которых уже началось производство оружейного плутония.
— Чем же был плох уран, ведь соответствующие руды к тому времени в СССР уже разрабатывали?
— Надо понимать, что в естественных условиях плутоний не встречается, по крайней мере, на Земле. В природе есть только уран, причем почти целиком это — уран–238, изотоп, который невозможно использовать в таких «классических» реакторах. Необходимый для этого уран–235 содержится в количестве лишь около 0,7%, и чтобы создать реактор, нам нужно уран обогатить, отделить уран–235 от урана–238, нарастив его содержание. А в качестве альтернативы можно превратить уран–238 в плутоний–239, которого в природе нет. Для этого и нужен промышленный реактор, который проводил бы эту реакцию.
Разделение изотопов урана представляет собой сложнейшую физическую и технологическую задачу, ведь с точки зрения химии все изотопы одного элемента ведут себя совершенно идентично. Для этого требуется использовать различные изотопические эффекты, например, проводя уран в форме газовой смеси сквозь тончайшие поры на мембранах, поры настолько мелкие, что уран–235 проходит через них легче, чем уран–238. Но этот эффект крохотный, и для эффективного обогащения трубы с этими мембранами вырастают до многих километров, целых лабиринтов, в которых надо создавать и поддерживать огромное давление — все это очень сложно и, что немаловажно, энергоемко.
Второй вариант — электромагнитное разделение изотопов, в сепараторе, который, по сути, представляет собой огромный масс–спектрометр. Ионы здесь движутся в сильном магнитном поле и отклоняются тем сильнее, чем выше их заряд и меньше масса — это и позволяет улавливать их специальными приемниками в разных участках сепаратора. Сегодня известны и другие технологии обогащения, но тогда, в 1940–х, было предложено два, и американцы пошли сразу в обоих направлениях.
В итоге получилось так, что первый достаточно чистый уран–235 был получен в Национальной лаборатории США Ок–Ридж с помощью электромагнитного сепаратора. Его американцы впоследствии использовали в бомбе, которая была сброшена на Хиросиму. В то же время в Лос–Аламосе были построены реакторы, в которых уран превращался в плутоний, и он был использован в бомбе, сброшенной на Нагасаки. Вот такой ужасающий эксперимент получился.
В СССР пошли примерно тем же путем. Во–первых, был создан наш первый реактор Ф–1, на котором удалось провести очень важные физические исследования и получить первый в стране плутоний — буквально микрограмм. Но уже это позволило Борису Курчатову, брату Игоря Васильевича, изучить его химические и другие свойства, необходимые для работы с плутонием. Тогда уже и началась работа над новыми реакторами для промышленного производства плутония.
С другой стороны, параллельно этому такие блестящие ученые, как академики Исаак Кикоин и Лев Арцимович, занимались проблемами разделения изотопов: команда Арцимовича — электромагнитным, а Кикоина — диффузионным, а затем и посредством газового центрифугирования. И практически сразу же, как эти процессы удалось наладить, здесь, в нынешнем Курчатовском институте, начались поиски всех возможных приложений для атомной энергии.
Главным тогда, конечно, было военное использование, ведь вопрос стоял не фигурально, а буквально выражаясь, о жизни нашей страны. Согласно плану «Дропшот» о бомбардировке городов СССР в начале 1950 года, на нашу страну планировали сбросить 300 атомных бомб и 250 тысяч тонн обычных. Мы опередили этот план в августе 1949 года, в Семипалатинске. Для работы в этом направлении наше КБ–11 во главе с Юлием Харитоном было перемещено в Арзамас–16, то есть в Саров. Наш «третий сектор» под руководством Абрама Алиханова был выделен в Институт теоретической и экспериментальной физики, занявшись проработкой создания реакторов на тяжелой воде, которые могли бы работать с использованием природного, необогащенного урана. Кстати говоря, этот институт несколько лет назад вошел в состав Национального исследовательского центра «Курчатовский институт». Вот такое возвращение к корням получилось.
— Но как родилась идея о мирном использовании энергии атома? Было ли это указание «сверху» или инициатива самих ученых?
— Правительство в те годы вряд ли было так уж заинтересовано в атомной энергетике: органическое топливо, гидроресурсы имелись в достаточных количествах, они не были дороги, да и запросы экономики были не так велики, как сегодня. Возможно, советские руководители поддержали предложение ученых для того, чтобы показать миру, что есть альтернативный бомбе путь использования атомной энергии.
Думаю, ученые хотели остаться в истории не Геростратами, а людьми, которые подарили человечеству новый гигантский источник энергии. Поэтому в направлении мирного использования атомной энергии мысль ученых работала давно.
— В этой области советская и западная наука, технологии шли разными путями? Или одними, просто двигаясь параллельно друг другу?
— Мы шли параллельно, хотя во многом приходили и к совсем разным решениям. Вплоть до курьеза: у них мог разрабатываться реактор с горизонтальными каналами для загрузки топлива, а у нас — с вертикальными. Однако конструкции могли быть разными, а проблемы были примерно одни и те же, ведь физика одна по обе стороны «железного занавеса».
Возьмем для примера водо–водяные реакторы (ВВР). Изначально они разрабатывались для установки на подводные лодки. В России идея перевести их на использование в энергетике впервые прозвучала у нас в институте, в 1955 году. Было подготовлено техническое задание, Курчатов направил письмо в Министерство среднего машиностроения, и уже в следующем году было выдано указание на проектирование таких реакторов.
Сегодня водо–водяные реакторы являются магистральным направлением всей мировой ядерной энергетики. Думаю, девять из десяти работающих реакторов относятся именно к этой группе. Зато такое своеобразное направление, как РБМК — реакторы большой мощности кипящие (иногда говорят — канальные), выросло именно у нас в стране. Многие РБМК до сих пор работают, производя около половины всей ядерной энергии в России, однако после аварии в 1986 году в Чернобыле развитие этого направления было закрыто.
Все работающие РБМК переведены в режим абсолютной безопасности, этой задачей мы в Курчатовском институте много занимаемся до сих пор: и проблемами защиты, и сохранением конструкции, продлением срока службы... Тем не менее они не считаются «столбовым» направлением современного и будущего развития ядерной энергетики. Оставшиеся РБМК один за другим будут закрываться, последний планируется остановить в районе 2030 года.
— Какие же реакторы разрабатываются сегодня? И — если это возможно — поясните в общих чертах принципы их действия.
— Даже самые новые реакторы, как работающие сегодня, так и находящиеся в производстве, относятся к поколению, условно названному «3+». Параллельно этому во всем мире развивается международное сотрудничество по созданию реакторов следующего, 4–го поколения, которые будут еще безопаснее и эффективнее.
Главным направлением этого остаются водо–водяные реакторы, но уже модернизированные. Такие усовершенствования ведутся, во–первых, для того, чтобы работать с нейтронами более жесткого спектра и иметь возможность напрямую использовать реакцию деления урана–238. Во–вторых, прорабатывается возможность использования воды в сверхкритическом состоянии, в котором она проявляет свойства частично газа, частично — жидкости. Это позволяет намного эффективнее снимать тепло с реактора, но это — работа при совершенно других температурах, давлении, и требуется совершенно другой, новый реактор, готовый к таким нагрузкам.
Однако главным направлением развития остается проблема замыкания топливного цикла. В идеале мы сумеем прийти к таким решениям, которые позволят обходиться чрезвычайно малыми количествами природного урана, используя оба изотопа, производя плутоний и так далее... Все это позволит замкнуть топливный цикл, сделает атомную энергетику фактически самообеспечивающийся и резко снизит нагрузку на природу.
Теперь что касается принципов действия. Начнем с того, что в реакции деления ядер рождаются нейтроны, спектра деления с высокой средней энергией. Чтобы они могли инициировать следующий шаг цепной реакции деления, их замедляют с помощью замедлителя, например, графита. Это похоже на бильярдные шары: нейтроны соударяются с легкими ядрами углерода в графите и теряют энергию. В водо–водяных реакторах роль графита выполняет вода и атомы водорода в ней.
На таких замедленных — тепловых — нейтронах эффективно проходит деление урана–235, а уран–238 может захватить нейтрон и превратиться в плутоний. Однако в более жестком спектре реакция деления урана–238 будет развиваться гораздо интенсивнее, и мы сможем использовать его в качестве, как топлива, так и источника для накопления плутония.
На будущее эта задача и стоит: пока что мы топим реакторы, как говорится, «спичками». Мы «поджигаем» реакторы ураном–235, и вынуждены постоянно подбрасывать его для поддержания реакции. А хотелось бы один раз запустить ее — и чтобы в самом реакторе из урана–238 вырабатывалось новое топливо, и реакция продолжалась. Именно этот этап сейчас мы переживаем: идет поиск оптимальной конструкции реакторов на быстрых нейтронах, решаются многочисленные технологические проблемы, и в Курчатовском институте идут исследования в этом направлении.
— А что происходит в направлении создания компактных реакторов? Широко известна плавучая АЭС, проект которой реализуется под эгидой Росатома...
— Тут стоит начать с того, что все реакторы, которые работают сегодня и на кораблях, и на подводных лодках, создавались для решения несколько иной задачи. Они должны не вырабатывать электроэнергию, а двигать судно вперед, вращать гребной вал. Для них передача энергии в сеть — функция вторичная.
Атомные ледоколы.
Атомные ледоколы. Фото: Пресс–служба НИЦ «Курчатовский институт»
Конечно, крайне заманчиво звучит идея использовать этот реактор в качестве источника энергии, который можно было бы доставлять в различные труднодоступные районы и оперативно снабжать их электричеством. Вдобавок, такой реактор будет проще производить, его можно сделать непосредственно на заводе и уже в готовом виде разместить на судне.
Именно такая работа и идет: плавучая АЭС Ломоносов, как планируется, будет размещаться в Певеке, на Чукотке, заменяя местную станцию малой мощности, уже устаревшую и готовящуюся к выводу из эксплуатации. Сегодня этот проект проходит очень важную стадию: трансформации из транспортного реактора в промышленный.
Кроме того, реакторы, которые устанавливаются на судах, имеют и свои юридические особенности. Правила их эксплуатации определяются международным Морским регистром, а обычные АЭС регулируются совершенно иначе. Поэтому параллельно собственно созданию плавучих станций идет совмещение тех и других правил и стандартов. Иначе говоря, идет процесс и технологического, и юридического, и эксплуатационного превращения корабельных реакторов в промышленные.
Наконец, эксплуатация таких плавучих станций требует создания мощной береговой инфраструктуры, особых мер безопасности, в том числе и защиты от нападения. Но это, конечно, проще, нежели возводить традиционные АЭС в труднодоступных районах с крайне ограниченными транспортными возможностями. Достаточно подвести готовый корабль, подключить к кабелям — и работайте.
Думаю, это направление будет активно развиваться в будущем, хотя панацеей и не станет. Хотя бы в силу того, что стоимость киловатт–часа энергии, произведенной в реакторе, обратно зависит от его мощности: чем больше реактор, тем дешевле. А на плавучих АЭС достаточно крупный реактор не разместить, и цена вырабатываемой ею энергии всегда будет высока.
Скорее всего, использование плавучих АЭС будет ограничено определенным набором заказчиков, для которых стоимость энергии уже вторична, главное — оперативный и комфортный доступ к ней. Это, конечно, могут быть и военные, и добывающие компании, работающие в отдаленных труднодоступных районах, и спасатели. Общепризнано, что малая энергетика будет развиваться там, где цена не столь важна, как сам доступ к ней.
— Но как же быть с многочисленными обещаниями через несколько десятилетий оснастить мини–реакторами едва ли не каждый дом, обеспечивая его собственной энергией? И — если речь зашла о компактных реакторах — о давно ожидаемых мощных ядерных двигателях для космических аппаратов?
— Гораздо проще и дешевле будет не устанавливать миниатюрные реакторы в каждый дом, а сделать один большой реактор и раздавать по домам уже его энергию, производительность такой схемы будет гораздо выше. Думаю, такая «бытовая» энергетика в ближайшей перспективе так и останется централизованной, а мини–реакторы найдут применение для решения специальных задач.
Что же касается космических ядерных двигателей, у нас этим еще при СССР занимались достаточно активно. Для этих целей используются реакторы без теплоносителя, с прямым преобразованием ядерной энергии в электричество. Этот процесс не может похвастаться достаточно высоким КПД, но в некоторых случаях он незаменим.
Для такого преобразования можно использовать эффект Зеебека — тот, что отвечает за появление электродвижущей силы в термопаре, концы которой находятся при разных температурах. Такие разновидности реакторов и использовались в космосе. На орбите работал знаменитый советский реактор «Бук». Впоследствии началось развитие термоэмиссионных реакторов: упрощенно говоря, в них электроны испускаются раскаленным катодом и попадают на холодный анод, создавая ток. Это такие экспериментальные космические реакторы, как «Топаз».
Сейчас идут работы по созданию космических реакторов нового типа, которые уже имели бы турбину и были бы способны выдавать более серьезную мощность. Эта задача понемногу решается, но говорить на эту тему подробно пока рано.
— Как бы Вы оценили вообще современное состояние российской ядерной энергетики? Не намечается ли отставание, или, может, наоборот, мы являемся «законодателями мод» в этой области?
— Могу сказать, что тут мы находимся абсолютно «в тренде». Мы много строим и используем этот свой экспортный технологический потенциал, возводя реакторы и для Китая, и для Индии, во Вьетнаме и Бангладеш. Знаковым событием стало возвращение наших специалистов в Финляндию. Не так давно Росатом выиграл тендер на строительство АЭС «Ханхикиви», потеснив французов, которые победили в тендере в этой стране лет десять назад.
Компьютерная модель АЭС «Ханхикиви»
Компьютерная модель АЭС «Ханхикиви». Источник: publicatom.ru
В Турции мы возводим четыре энергоблока по новому принципу — «строй, владей, используй» — это будет атомная станция, владельцами которой мы и останемся, и будем в течение 15 лет заниматься продажей ее энергии. Так что в атомной отрасли мы продолжаем сохранять лидирующие позиции, и это общепризнанный факт.
поддержать проект
Подпишитесь на «Русскую Планету» в Яндекс.Новостях
Яндекс.Новости
