День, когда атом стал мирным

27 Июня
День, когда атом стал мирным
Центральный пульт управления Обнинской атомной электростанции (1957 г.)
Фотография: visualrian.ru

27 июня 1954 года была запущена первая в мире атомная электростанция — Обнинская АЭС. С тех пор как США в сентябре 1945 года продемонстрировали в Японии новое оружие, мир воспринимал ядерную энергию как разрушительную силу. При этом уже в октябре 1945-го, всего через месяц после взрывов в Хиросиме и Нагасаки, в СССР начались работы по ее мирному применению. Начало им положила записка академика Петра Капицы «О применении внутриатомной энергии в мирных целях», рассмотренная в октябре 1945 года Техническим комитетом учрежденного при Совнаркоме СССР Первого главного управления, ведавшего всей атомной тематикой. Та записка не сохранилась в архивах, но тезисы Капицы известны из его письма Молотову, отправленному в декабре 1945-го. «То, что происходит сейчас, когда атомную энергию расценивают первым делом как средство уничтожения людей, так же мелко и нелепо, как видеть главное назначение электричества в возможности постройки электрического стула», — писал Капица, уверенный, что у мирного применения нового источника энергии грандиозное будущее.

Задел в советской науке и промышленности к тому времени уже существовал. Исследования в области ядерной физики велись в нашей стране еще с 1920-х годов. В 1921-м Государственный ученый совет Наркомпроса учредил при Академии наук Радиевую лабораторию. В сентябре 1940 года Президиум АН СССР утвердил программу работ по изучению реакций деления урана. А спустя два года, 28 сентября 1942-го, было подписано секретное постановление Государственного комитета обороны (ГКО) № 2352сс «Об организации работ по урану», которое предписывало изучить осуществимость использования атомной энергии путем расщепления ядра урана и возможности создания урановой бомбы. В 1946 году впервые в Европе в реакторе Ф-1 под руководством Игоря Курчатова была осуществлена самоподдерживающаяся цепная реакция деления урана, в 1948 году на комбинате № 817 (ПО «Маяк») был запущен первый промышленный реактор А по производству плутония. А 29 августа 1949 года на Семипалатинском полигоне была успешно испытана первая отечественная атомная бомба РДС-1. К концу 1940-х в СССР уже работали добывающие и перерабатывающие уран предприятия, заводы по разделению изотопов и производству необходимых материалов: графита, карбида бора, тяжелой воды, алюминиевых сплавов.

Однако объем научных и инженерных задач для мирного использования ядерной энергии был гигантским. Было неизвестно, что произойдет с ядерным топливом при выгорании, как поведет себя реактор на нестационарных режимах, как будут меняться свойства материалов при непрерывном мощном облучении и высокой температуре. Необходимо было разработать надежные, выдерживающие высокую температуру тепловыделяющие элементы, системы управления и контроля реактора, определиться с замедлителем, теплоносителем и конструктивной схемой реактора, которая могла быть как корпусной, так и канального типа.

Работы вели сразу несколько коллективов, рассматривались варианты энергетических установок корпусного типа с газовым охлаждением с замедлителями из окиси бериллия и графита. Делались также предварительные расчеты реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим охлаждением.

В 1949 году в записке «Использование тепла для энергосиловых установок» Курчатов докладывал о целесообразности создания специальных энергосиловых установок на атомной энергии для подводных и надводных кораблей и электростанций с атомными котлами. Курчатов сразу обозначил, что даже при низкой себестоимости урана и его эффективном использовании нельзя ожидать существенного снижения стоимости киловатт-часа электроэнергии по сравнению с угольными электростанциями. Причина тому — структура себестоимости электроэнергии, в которой на угольных электростанциях стоимость топлива формирует лишь 40%, а оставшаяся часть приходится на затраты на паровые котлы, турбины и электротехническое оборудование, и она не может существенно измениться при смене топлива. Однако Курчатов видел в АЭС ряд незаменимых преимуществ: их можно строить в отдаленных районах, не имеющих собственного топлива; в отличие от угля топливо для АЭС можно накапливать в больших объемах и хранить неопределенно долгое время; становится возможным осуществление мощных подземных резервных электростанций, не требующих подвоза угля и дымовых труб; АЭС могут быть переключены частично или полностью на производство оружейного плутония.

Реактор первой в мире атомной электростанции. Обнинск, 1974 г.
Реактор первой в мире атомной электростанции. Обнинск, 1974 г.
Фотография: visualrian.ru

Аргументы были убедительными. 16 мая 1950 года вышло постановление Совета Министров СССР «О научно-исследовательских, проектных и экспериментальных работах по использованию атомной энергии для мирных целей» о сооружении опытной энергетической установки В-10. Она должна была включать в себя сразу три реактора: уран-графитовый с водяным охлаждением, уран-графитовый с газовым охлаждением и уран-бериллиевый с газовым или жидкометаллическим охлаждением. Их разрабатывали курчатовская Лаборатория измерительных приборов № 2 (позднее ставшая Курчатовским институтом), Институт физических проблем, который в тот момент вместо опального Петра Капицы возглавлял Анатолий Александров, и Институт В под руководством Александра Лейпунского, позднее ставший Физико-энергетическим институтом его имени. По первоначальному замыслу, все три реактора поочередно должны были работать на единую паровую турбину и генератор мощностью 5 МВт.

Научным руководителем работ был назначен Курчатов, а главным конструктором реактора — будущий академик Николай Доллежаль. Основные расчеты и конструкторские проработки реакторов на тепловых нейтронах велись в руководимых ими Лаборатории № 2 и в НИИ химического машиностроения. Уже в декабре 1950 года был выпущен эскизный проект реактора и теплосиловой установки.

В итоге Обнинская АЭС получила реактор АМ-1 с уран-графитовым канальным реактором с водяным теплоносителем. Аббревиатура АМ означала «атом морской», поскольку поначалу реактор предназначался для транспортной установки. Но для этой цели он оказался слишком велик, поэтому было решено использовать его для гражданской энергетики, а расшифровкой аббревиатуры АМ стало «атом мирный». Решающее влияние на выбор канальной конструкции оказал уже имеющийся опыт с подобными системами. Вода в качестве теплоносителя тоже была выбрана в силу хорошей изученности ее свойств по сравнению, например, с жидкими металлами, за счет ее многолетнего применения в качестве рабочего тела на обычных электростанциях. Вместо стержней, применяемых в промышленных реакторах, были использованы урановые тепловыводящие элементы (ТВЭЛы), стержень вода обтекала снаружи, а ТВЭЛ представлял собой двустенную трубку, между стенками которой располагался обогащенный уран, а по внутреннему каналу протекала вода. Такая конструкция была более эффективна для теплообмена.

В ходе работ пришлось решать множество проблем, как технологических, так и материаловедческих. Например, под воздействием радиации молекулы воды распадались на кислород и водород, образуя гремучий газ. Чтобы предотвратить его накопление, потребовалось использовать 486 кг платины для рекомбинаторов. Но менее чем через четыре года уникальный по сложности объект, над которым работали ведущие ученые и конструкторы страны, был завершен. В годовщину победы над фашистской Германией, 9 мая 1954 года, была осуществлена загрузка активной зоны топливными каналами. При внесении 61-го топливного канала было достигнуто критическое состояние, и в 19:40 началась самоподдерживающаяся реакция. Затем в реактор были загружены оставшиеся 67 каналов. Первое время реактор работал «вхолостую», в этот период были измерены важнейшие показатели: время срабатывания стержней аварийной защиты, распределение нейтронных полей, резонансное поглощение нейтронов. Основные характеристики реактора, такие как запас горючего, время работы, распределение потока нейтронов, подтвердились с приемлемой точностью.

С учетом этого в июне перешли к работе в энергетическом режиме, и до конца месяца станция последовательно наращивала мощность без подачи пара в турбину. Тепло снималось в парогенераторах водой под давлением без кипения и отводилось в брызгальный бассейн через теплообменники. На этом этапе были настроены все системы контроля за работой топливных каналов и ТВЭЛов, оценены энергетические параметры установки, окончательно определены условия срабатывания аварийной защиты, освоено автоматическое поддержание мощности реактора в энергетическом режиме. 26 июня при 57% мощности реактора была открыта задвижка подачи пара на турбогенератор, синхронизированный с сетью «Мосэнерго». 1 июля 1954 года газета «Правда» в своей передовице объявила о пуске 27 июня первой промышленной электростанции на атомной энергии. До этого проект реализовывался в строжайшей секретности. Известие всколыхнуло весь мир: разоренная войной страна нашла в себе силы и средства в кратчайший срок вырваться вперед в использовании ядерных технологий.

Но параллельно шла тяжелая и рискованная работа. «Первые дни работы на мощности были ошеломляющими. Течи, течи, течи. В реакторе текут каналы СУЗ, топливные каналы, и из-за этих течей и радиолиза воды в графитовой кладке реактора, температура которой достигала 600–700 градусов, появилось много кислорода и водорода. Вне реактора, в результате растрескивания расходомерных устройств на всех индивидуальных трактах топливных каналов (128 штук!), тоже непрерывные течи», — вспоминал один из участников запуска. Иногда происходило несколько остановок реактора за смену. Но несмотря на все проблемы, было решено не закрывать реактор, крайне необходимый для отработки технологий для создания новых мощных электростанций.

На проектную мощность АМ-1 вышел 25 октября 1954 года. В том же месяце Совет Министров СССР одобрил масштабную программу строительства АЭС. С 1956 года на АМ-1 стали проводиться исследования, необходимые для создания крупных АЭС. Было запущено 17 экспериментальных петель — автономных контуров, на которых испытывались материалы и конструкции, отрабатывались технологии, в том числе были изучены пусковые режимы, режимы кипения воды и перегрева пара в каналах реактора, естественная циркуляция теплоносителя и радиолиз воды, радиоактивные загрязнения в модели проточной части. Только для Белоярской АЭС было испытано 80 экспериментальных каналов с различными топливными композициями.

Обнинская АЭС безаварийно прослужила 48 лет — на 18 лет дольше запланированного срока, а ее эксплуатация была прекращена по экономическим соображениям: поддерживать ее в безопасном состоянии с каждым годом становилось все дороже. Реактор первой в мире атомной электростанции был заглушен 29 апреля 2002 года.

Петр Капица мечтал, что энергетика перейдет на атомную энергию, а о сжигании угля и торфа в топках будут говорить, как о варварстве, которое будет запрещено. Пока его мечты не сбылись. Но атомная энергетика играет важную роль — ее использует 31 страна, на нее приходится около 17% всей вырабатываемой в мире электроэнергии. А в некоторых странах ее значение еще выше: например, во Франции доля атомной генерации — 78%.

В России сейчас действует десять АЭС, на которых эксплуатируется 35 энергоблоков общей мощностью почти 28 ГВт. В общем энергобалансе России доля атомной генерации составляет около 18%. Согласно «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» производство электроэнергии на атомных электростанциях должно вырасти в 2,2–2,7 раза.