Александр Проценко - Энергия будущего
В опубликованной в журнале "Проблемы мира и социализма" статье "Научно-технический прогресс и атомная энергетика" президент АН СССР А.Александров пишет: "Широкое и разнообразное применение энергии атома экономическая политика дальнего прицела... Поэтому освоение огромных ресурсов энергии ядерных превращений - важнейший долг ученых перед человечеством... Смягчение остроты топливной проблемы, несомненно, приведет и к снижению ее значения как фактора политической напряженности. Районы и страны, обделенные природой и не имеющие традиционных топливных ресурсов, смогут получать относительно недорогие ядерные энергоресурсы, что будет способствовать их более быстрому техническому прогрессу. Благодаря исключительно высокой энергоемкости ядерного горючего стоимость его транспортировки в любые места земного шара относительно низка.
Чрезвычайно важным следствием широкого применения ядерной энергии явится и существенное уменьшение загрязнения окружающей среды продуктами сгорания".
Сегодня преимущества атомной энергетики и необходимость ее ускоренного развития очевидны, но... всего лишь три десятилетия назад сама возможность и целесоооразность мирного использования энергии атома у многих вызывали страх и большие сомнения.
Первую брешь в этих переживаниях в 1954 году пробила сооруженная под Москвой в городе Обнинске атомная электростанция. Маленькая по мощности (всего 5 тысяч киловатт), она была первой на земном шаре, где использовалась энергия атома.
1 июля 1954 года "Правда" и другие газеты поместили на первых полосах такое сообщение: "В настоящее время в Советском Союзе усилиями советских ученых и инженеров успешно завершены работы по проектированию и строительству первой промышленной электростанции на атомной энергии полезной мощностью 5000 киловатт.
27 июня 1954 года атомная электростанция была пущена в эксплуатацию и дала электрический ток для промышленности и сельского хозяйства прилежащих районов".
Это известие облетело весь мир. Вот сообщения корреспондентов из-за рубежа.
"Лондон, 1 ИЮЛЯ (ТАСС)- Сообщение о пуске в СССР первой промышленной электростанции на атомной энергии широко отмечается английской печатью, Московский корреспондент "Дейли уоркер" пишет, что это историческое событие "имеет неизмеримо большее значение, чем сброс первой атомной бомбы на Хиросиму".
"Париж, 1 июля (ТАСС). Лондонский корреспондент агентства Франс Пресс передает, что сообщение о пуске в СССР первой в мире промышленной электростанции, работающей на атомной энергии, встречено в лондонских кругах специалистов-атомников с большим интересом. Англия, продолжает корреспондент, строит атомную электростанцию в Колдерхолле. Полагают, что она сможет вступить в строй не ранее чем через 2,5 года".
Успешное создание и работа первой АЭС в мире было важным событием по многим причинам. Прежде всего в какой-то мере был сломан психологический барьер - предубеждение людей вообще против атомной энергии. Было показано, что она может успешно служить делу мира и способствовать росту благосостояния человечества. Это событие имело и политическое значение: Советский Союз своим примером показывал, куда должны быть направлены усилия ученых, специалистов - не на создание еще более совершенных видов атомного оружия, а на развитие мирной атомной энергетики. И конечно, в первую очередь создание АЭС имело научно-техническое значение. По пути, проложенному ею, пошли десятки других станций, сооруженных в последующие годы в разных странах мира.
Решения приняты
В 1955 году в Женеве, впервые после второй мировой войны, собрались ученые разных стран на первую международную конференцию по атомной энергетике.
Советские специалисты сделали вызвавшее общий интерес сообщение об итогах годичной работы АЭС в Обнинске, о технических характеристиках и конструкциях атомного реактора и другого оборудования станции.
Это был первый опыт, позволивший сделать правильный вывод о надежности работы ядерного реактора подобного типа и его безопасности для обслуживающего персонала и населения, проживающего в районе ее р-асположения.
В настоящее время есть множество действующих реакторов, которые существенно различны. Если же учесть еще те, что задуманы и даже спроектированы, но не построены, то число модификаций составит несколько десятков.
Так, реактор первой АЭС, как мы уже говорили, уранграфитовый канального типа. То есть в качестве вещества, замедляющего нейтроны, в нем применен графит, а топливом является уран. Слова "канального типа" означают, что урановые тепловыделяющие элементы (стерженьки из урана) находятся в трубах, проходящих через графитовые блоки. В этих трубах и протекает вода, которая, отбирая энергию от урановых твэлов, кипит и испаряется.
Такая схема реактора, конечно, не единственно возможная. На упоминавшейся международной конференции по мирному использованию атомной энергии нашими и зарубежными специалистами были представлены проекты и других реакторов. Чем они отличались друг от друга и для чего понадобилось такое разнообразие, мы сейчас и увидим.
Первое, что вносит многообразие, - это замедлитель нейтронов. Кроме графита, можно использовать обычную и тяжелую воду. У каждого из них есть свои преимущества и недостатки.
Обычная вода, в молекуле которой два атома самого легкого элемента водорода, отлично замедляющего нейтроны, наиболее дешевый и очень эффективный замедлитель. Но есть у нее и недостатки: водород и кислород бесполезно поглощают нейтроны и тем ухудшают цепную реакцию. Чтобы она не затухала, приходится добавлять горючее - уран.
Почти совсем не поглощает нейтроны тяжелая вода - дорогой и дефицитный продукт. В ее молекуле не водород, а два атома дейтерия, о которых речь шла впереди.
Чтобы вода, используемая в качестве замедлителя, не кипела при довольно высокой температуре в 300 градусов, в системе нужно создавать давление в 100 атмосфер. Это, конечно, приводит к существенному усложнению реактора.
В качестве замедлителя пригодны и органические вещества, например газойль - даутерм, в состав которого входят углерод, водород и кислород. Даутерм относительно неплохо замедляет нейтроны, не очень сильно их поглощает и самое главное - не требует создания в реакторе больших давлений. Как будто бы всем он хорош.
Почти не вызывает коррозии, недорого стоит. Но, как и у каждого замедлителя, у него есть свои недостатки.
Во-первых, это соединение очень нестойкое. Нейтроны, обладающие большой энергией, разбивают молекулу даутерма, образуя при этом ненужные газообразные продукты. Во-вторых, под действием высокой температуры и облучения из этих частиц начинают образовываться тяжелые полимеры, которые как нагар осаждаются на поверхности тепловыделяющих элементов и, перекрывая проходное сечение для теплоносителя, затрудняют отвод тепла. Кстати, о теплоносителе.
Для отвода тепла от реактора можно использовать различные вещества, которые также влияют на конструкцию реакторов. Здесь обычная и тяжелая вода в кипящем и некипящем состоянии и те же самые, используемые в качестве замедлителя, органические вещества.
Применяются также и газообразные теплоносители: углекислый газ, азот, гелий. В реакторах-размножителях ча быстрых нейтронах удобным теплоносителем оказался натрий. Различным типам теплоносителей, как и многим замедлителям, свойственны определенные преимущества и недостатки.
Мы коснулись только двух составляющих реактора:
замедлителя и теплоносителя, определяющих тип реактора. А ведь нужно самым оптимальным образом выбрать еще и тепловыделяющий элемент! В каком виде удобнее использовать в нем ядерное горючее - уран?
В виде металла или его двуокиси? А может быть, лучше применить карбид урана или какой-либо его сплав?
Имеют значение форма и размеры тепловыделяющих элементов (оболочки), в которых заключается ядерное горючее. Надежнее всего были бы твэлы из стали, но она сильно поглощает нейтроны. Пришлось уран заключать в циркониевые либо алюминиевые оболочки, слабо поглощающие нейтроны.
Как видите, если составить сочетания из предлагавшихся типов замедлителя, теплоносителя, топлива, форм и размеров твэлов и конструктивных способов их оформления и других элементов оборудования реактора, то можно было бы получить несколько сот вариантов.
Правда, среди них попались бы и такие, которые учеными не рассматривались, а сразу отбрасывались прочь как неразумные. Нецелесообразность применения других вариантов вытекала из расчетов или пробных конструкторских проработок. И все же после такого предварительного отбора оставалось несколько десятков возможных для создания типов реакторов, с которыми нужно было разбираться более серьезно и подробно. Что же делать в такой ситуации? Создавать одновременно все мыслимые типы опытно-промышленных реакторов, эксплуатировать их по 10-15 лет и потом решать, какие из них использовать для промышленной атомной энергетики? Конечно, нет. При такой стратегии ее масштабное развитие могло бы задержаться на многие десятилетия. Да, одновременное развитие многих направлений потребовало бы и огромных материальных затрат, так как на исследования, опытно-конструкторские работы и проектирование пришлось бы перевести большое количество институтов, конструкторских и проектных организаций! Ясно, что разумнее ограничиться несколькими типами установок и развивать атомную энергетику поэтапно, переходя по мере накопления опыта от более простых установок к более сложным Наиболее подходящей областью начального использования атомной энергии стала электроэнергетика.
