В шаге от рождения атомной энергетики

https://ic.pics.livejournal.com/ss69100/44650003/1239813/1239813_300.jpgАтомная энергетика, которую мы теперь считаем одним из видов традиционной генерации, рождена в середине прошлого века, по историческим меркам – совсем недавно.

При ее создании не было внезапных озарений некоего «отца-основателя», становление атомной энергетики – результат напряженного труда больших коллективов ученых, конструкторов, инженеров и рядовых участников атомного проекта.

Каждый этап ее освоения становился событием в развитии технологии, промышленности, это ее свойство – стимулировать создание новых и новых отраслей науки и техники было, есть и будет оставаться самой удивительной ее чертой.

Рассказывая о ее первых шагах, не стоит торопиться – иначе мы не поймем того уровня развития, которого атомная энергетика достигла в наши дни.

Специальный комитет по использованию атомной энергии

Появление атомного проекта в СССР не было «кровожадной прихотью» наших военных, оно было обусловлено необходимостью противостоять растущей ядерной военной мощи США, сведения о которой наша разведка поставляла с удивительной точностью и скоростью.

Совместная работа разведки и участников атомного проекта была поставлена так, что наши ученые порой могли задавать неизвестным им рыцарям плаща и кинжала уточняющие вопросы и получать исчерпывающие ответы.

Но, порой, разведка добывала сведения, которые были неожиданностью для ученых, заставляя их намечать новые направления работы.

Для того, чтобы лучше понимать, как именно происходил такой обмен информацией, как сведения, добытые разведкой, в кратчайшие сроки превращались в технические задания для строительства, создание опытных установок, лабораторий, заводов, конструкторских бюро, остановимся подробнее на том, как выглядела структура Спецкомитета.

Мы не устаем напоминать о том, что руководителем Спецкомитета был Лаврентий Берия – на наш взгляд, лучший из имевшихся в распоряжении руководства страны организатор. То, что Лаврентий Павлович не имел физического или химического образования, не разбирался в технических тонкостях работы специалистов, собранных Игорем Курчатовым, как ни странно, не было тем, что хоть как-то мешало работе.

Обусловлено это именно организаторскими способностями этого незаурядного человека – он сумел выстроить работу Спецкомитета так, что все его участники не только распределяли между собой отдельные участки огромной работы, но и прекрасно взаимодействовали между собой, дополняя, усиливая друг друга.

В состав руководства Спецкомитета по использованию атомной энергии, созданного 20 августа 1945 года, вошли всего девять человек. Общее руководство было поручено Лаврентию Берии, научное руководство – Игорю Курчатову.

Одним из заместителей Лаврентия Берии стал Борис Львович Ванников, с которого при этом никто и не думал снимать обязанности наркома боеприпасов, вторым замом был Михаил Георгиевич Первухин, остававшийся наркомом химической промышленности.

Со стороны партии в состав Спецкомитета вошел Георгий Максимилианович Маленков, за планово-экономическую деятельность отвечал председатель Госплана Николай Алексеевич Вознесенский. Инженерно-промышленную работу поручили Авраамию Павловичу Завенягину, об удивительной биографии которого мы рассказывали в предыдущей статье, посвященной истории отечественного атомного проекта.

Петр Леонидович Капица, директор Института физических проблем, был приглашен в состав Спецкомитета для решения задач низкотемпературной технологии разделения изотопов урана, однако из-за разногласий с Берией в конце 1945 Капица из Спецкомитета ушел.

Еще одного человека в Спецкомитет Берия привел лично – своего заместителя по государственному комитету обороны, чтобы Василий Алексеевич Махнев обеспечил режим секретности работы нового ведомства. Всего девять человек, но их вполне хватало для общего руководства.

Основными «двигателями» Спецкомитета стали Игорь Курчатов, Борис Ванников и Михаил Первухин – Курчатов отвечал за решение научных задач и правильную ориентацию ученых и инженеров при их выполнении, а Ванников и Первухин обеспечивали выполнение всех запросов «людей Курчатова» оборонной и химической отраслей.

Как только возникала необходимость строительства новых заводов и комбинатов, в дело вступали Вознесенский и Завенягин – первый обеспечивал финансирование и планирование поставок всего необходимого, второй обеспечивал все организационные вопросы.

Для анализа технических вопросов и проработки проектов технологических сооружений необходимо было привлечь научных работников, для чего в составе Спецкомитета был создан Технический совет во главе с Борисом Ванниковым.

Вместе с ним в составе ТС работали Курчатов, Завенягин, Махнев и Капица (до своего ухода), а из ученых были приглашены руководитель Лаборатории №3 (тяжеловодные реакторы и исследования в области космических лучей) Абрам Исаакович Алиханов, академик Абрам Федорович Иоффе (не забываем, что практически все ведущие специалисты нашего атомного проекта были его учениками), Исаак Константинович Кикоин, Юлий Борисович Харитон и руководитель Радиевого института Виталий Григорьевич Хлопин.

Как видите, тут были собраны настоящие профессионалы своего дела, причин сомневаться в компетенции которых у Лаврентия Павловича не было.

Для того, чтобы обеспечивать непосредственное руководство проектированием и сооружением предприятий формирующейся отрасли, в составе Спецкомитета был создан еще и Инженерно-технический совет, подчиненный Михаилу Первухину.

Но достаточно быстро выяснилось, что разделение научных и инженерных задач между двумя советами вело к различным нестыковкам, и в апреле 1946 их объединили в одну структуру – Научно-технический совет, ставший мозговым центром Спецкомитета.

Его ученым секретарем стал еще один незаурядный организатор – Борис Сергеевич Поздняков, который до своего прихода в атомный проект был председателем технического совета наркомата тяжелого машиностроения. Выпускник механического факультета Ленинградского политеха, Борис Сергеевич по образованию был инженером дизельных тепловозов, под его руководством создавались наши первые железнодорожные локомотивы, тепловозы и электровозы.

Но с 1939 года он перешел на «чистую» организационную работу, потому и в составе НТС ему был очерчен приблизительно такой же круг обязанностей. Четкая организация квалифицированных обсуждений научных и технических вопросов, экспертиза документов, оформление отчетов и многое другое.

Ученый секретарь атомного проекта

Казалось бы – ну, секретарь, ну, подготовка документов, проведение заседаний, оформление протоколов. Обычный клерк, не более того – казалось бы.

Но не стоит забывать, что атомный проект в те времена был настолько секретным, что безликие фразы и привычные обороты речи скрывают куда больше содержания, чем кажется с первого взгляда. Борис Поздняков, в числе прочих документов, анализировал и те, которые поступали из Бюро №2 Спецкомитета. Кому-то что-то это вот «Бюро №2» говорит? Подозреваем, что очень немногим.

Бюро №2 подчинялось непосредственно Лаврентию Берии, который, напомним, до того, как стать руководителем Спецкомитета, трудился главой НКВД.

Бюро № 2 было создано 20 сентября 1945, задача – «перевод и обработка документов и материалов, поступающих из различных зарубежных источников».

Уже понятнее? Документы и материалы в Бюро №2 поставлял отдел «С» НКВД СССР, эта литера совпадала с первой буквой фамилии его руководителя – генерал-лейтенанта НКВД Судоплатова Павла Анатольевича.

С осени 1945 года этот отдел руководил всей «атомной разведкой» не только НКВД, но и ГРУ. После переводов и первичной проверки документы из Бюро №2 поступали дальше «по инстанции» – в Спецкомитет.

Все, что касалось непосредственно проблемы создания атомной бомбы – Игорю Курчатову и еще нескольким ученым, получившим доступ к документам такой степени секретности.

А Борис Поздняков самым тщательным образом изучал все остальное – документы, публиковавшиеся в иностранной прессе и технической литературе, в работах иностранных научных учреждений, предприятий и фирм, отдельных ученых и специалистов, имевших хоть мало-мальское отношение к освоению и применению энергии атомного ядра.

В штате отдела «С» было два офицера – научных сотрудника, физиков по образованию, которые с подачи Позднякова стали слушателями семинаров Капицы и Ландау, чтобы глубже понимать новейшие направления в ядерной физике. Не менее тщательно Поздняков работал и с протоколами заседаний научно-технического совета (НТС), фиксируя, в том числе, и звучавшие на этих заседаниях идеи, не касавшиеся непосредственно «проблемы №1».

Мимо научного секретаря не проскакивало ничего, и результатом его работы в конце 1946 начале 1947 стал небольшой доклад, названный им «Энергосиловые установки на ядерных реакторах». Небольшая такая записка, сыгравшая огромную роль в развитии нашей атомной энергетики.

В ней содержались в систематизированном виде как все идеи наших физиков, касавшихся возможных направлений использования тепла ядерных реакций, так и все, что касалось этой темы в иностранных источниках. В числе прочего Борис Поздняков сообщил НТС информацию о том, что в США началась разработка проекта атомной силовой установки для нужд подводного флота.

25 декабря 1946 года в Лаборатории №2, впервые в истории нашей страны, началась управляемая цепная реакция деления ядер урана в реакторе Ф-1 («физическом, первом). Темп работ, необходимых для создания атомной бомбы после этого, самого первого шага, только нарастал. Бюро №2 докладывало о росте атомного арсенала США с точностью зловещего метронома:

• 1946 год – 9 атомных зарядов общей мощностью 180 килотонн;


• 1947 год – 13 атомных зарядов общей мощностью 260 килотонн тротилового эквивалента;


• 1948 – 50 атомных бомб общей мощностью 1’250 килотонн;


• 1949 – 170 бомб и 4’190 килотонн.

Такой растущий ритм наращивания атомного оружия в Америке был самым главным стимулом для напряженной, безостановочной работы всех участников нашего атомного проекта. Но доклад Позднякова не «лег в стол» – Игорь Васильевич Курчатов понимал, что атомная энергия может принести пользу не только для военных задач, но и для гражданских проектов.

Вскоре после того, как состоялось удачное испытание нашей первой атомной бомбы РДС-1, в конце 1949 года доклад Позднякова пошел в дело. Было решено приступить к научно-исследовательским и проектным работам по атомным энергосиловым установкам применительно к кораблям, самолетам, электростанциям.

Невзирая на огромную нагрузку – атомное оружие нужно было совершенствовать, нужно было увеличивать количество боезарядов, было создано несколько, пусть и малочисленных по составу, но состоящих из весьма серьезных специалистов, научно-инженерных групп.

Первые шаги атомной энергетики

По инициативе Курчатова, НТС в ноябре 1949 года рассматривает и поддерживает соображения Семена Фейнберга о возможностях «… создания атомного двигателя для подводного флота в трех вариантах (водяное, газовое и металлическое охлаждение), мощность двигателя 10’000 кВт на валу».

В соответствии с этим решением НТС каждое из этих направлений стало прорабатываться в разных организациях, входивших в контур Спецпроекта.

В ИФП АН группа под руководством Анатолия Александрова изучали возможность размещения на подлодке двухконтурной энергоустановки с реактором, охлаждаемым гелием; в НИИхиммаше под руководством Николая Доллежаля пытались сконструировать уран-графитовый реактор мощностью 150 МВт; в Лаборатории №2 в секторах Владимира Меркина и Семена Фейнберга прорабатывалась энергетическая установка с двумя водно-водяными реакторами; в лаборатории «Б» под руководством Александра Лейпунского вместе с конструкторами «Гидропресса» во главе с Борисом Шолковичем начали работу над реактором со свинцово-висмутовым теплоносителем; группа, руководимая Дмитрием Блохинцевым в составе той же лаборатории «Б», изучала возможность создания реактора с водой в качестве теплоносителя, но с замедлителем из бериллия.

http://geoenergetics.ru/2018/01/05/pervyj-promyshlennyj-atomnyj-reaktor-sssr/

Вот такая небольшая ирония судьбы – технология водно-водяных реакторов пришла к нам из воды: не было бы информации Позднякова о том, что американцы работают над атомным двигателем для военно-морского флота, не начались бы уже в 40-х годах работы по созданию проекта ВВЭР. Впрочем, до появления самой этой аббревиатуры прошло немало лет.

В ноябре 1949 года наиболее перспективными были разработки энергетических уран-графитовых реакторов – ведь реакторы именно такого типа уже были созданы, именно на них нарабатывался оружейный плутоний.

Все имевшиеся наработки были обобщены в докладе Николая Доллежаля «О проектах реакторов с графитом», который он подготовил по заданию Анатолия Александрова. Доклад содержал предварительный проект реактора на обогащенном уране с графитом и водным теплоносителем только для энергетических целей.

Тритий требует новый реактор

Но в 1949 году время заниматься энергетическим реактором еще не наступило – Бюро №2 выдало на-гора информацию о том, что в США все активнее идет работа над созданием термоядерного оружия. По выкладкам наших теоретиков для этого был необходим тритий, сверхтяжелый изотоп водорода, производство которого возможно только в ядерном реакторе.

Проработки научных коллективов показали, что для нашей первой термоядерной бомбы, выполненной по схеме, которую для упрощения называют «слойкой Сахарова», были необходимы такие материалы, как тритид урана, дейтерид лития и изотоп лития-6.

Производство тяжелой воды, из которой получали дейтерий, использования реактора не требовало, как и наработка изотопа лития. Мы уже рассказывали, насколько сложны технологии разделения изотопов урана, потому логичен вопрос – почему литий-6 в производстве оказался проще?

http://geoenergetics.ru/2016/09/27/tyazhelaya-voda-irana-dostavlena-v-rossiyu/

Принципиальное отличие заключается в том, что литий – элемент легкий, третий порядковый номер в таблице Менделеева. В ядре основного изотопа, содержание которого в природной руде составляет 92,5%, лития-7, содержится всего 3 протона и 4 нейтрона. В ядре лития-6 «не хватает» одного нейтрона, несложная арифметика показывает, что отличие составляет почти 7%. Кроме того, содержание востребованного изотопа лития составляет 7,5% – в 10 раз больше, чем содержится урана-235 в природной руде.

По этим причинам проще и технология производства лития-6, для этого оказалось вполне достаточно изощренного ума химиков. Поскольку производство лития-6 относится к технологиям весьма секретным, подробное описание в открытой печати найти очень сложно, ограничимся названием производственного процесса – амальгамо-обменный. «Амальгама» – это ртуть, крайне непростой в обращении химический элемент, амальгамо-обменный процесс весьма энергоемок.

Производство лития-6 организовали на нынешнем «Маяке», который с каждым годом становился все более серьезным центром атомной промышленности.

Для наработки трития необходим более плотный поток нейтронов, чем тот, который обеспечивал реактор на природном уране, не обогащенном по содержанию изотопа урана-235.

То, о чем мы писали в предыдущей статье «Молекулярная составляющая атомной энергетики» – овладение промышленной технологией обогащения урана при помощи газовой диффузии, обеспечивало нашему атомному проекту создание первого в нашей стране реактора АИ – «атомного, изотопного».

Сведения, собранные Николаем Доллежалем в его докладе, позволили начать разработку технического проекта реактора нового типа, которая и началась сразу же после появления доклада.

http://geoenergetics.ru/2018/01/17/molekulyarnaya-sostavlyayushhaya-atomnoj-energetiki/

Реактор АИ решили размещать все на том же «Маяке», где уже работал реактор А-1, на котором нарабатывали оружейный плутоний. 17 мая 1950 года разработка проекта была закончена, в августе на комбинате № 817 началось строительство реактора. Разрабатывал проект коллектив Ленинградского проектного института, который в наше время, вплоть до 2014 года, назывался ВНИПИЭТ.

Полное название сохраняет все традиции секретных времен Минсредмаша: «Восточно-Европейский головной научно-исследовательский и проектный институт энергетических технологий» – много слов, истинный смысл которых никому не понятен.

В советские времена ВНИПИЭТ был разработчиком проектов уран-графитовых реакторов РБМК-1000 и РБМК-1500, так что в будущих статьях мы еще не раз коснемся его истории. В 2014 году ВНИПИЭТ объединили с Санкт-Петербургским «Атомэнергопроектом», и теперь это просто «Атомпроект».

В наше время, когда мы читаем сообщения о строительстве АЭС, привычные сроки – от 5 до 10 лет, но в те времена темпы работы были совсем другими, ведь речь шла о нашей национальной безопасности, о необходимости достижения паритета с США.

Основные строительно-монтажные работы на реакторе АИ были закончены уже 20 октября 1951 года – чуть больше года. В таком же напряженном ритме прошли и все предпусковые работы – проверка и опробование систем, предпусковые физические опыты.

Атомный, изотопный

Внешне новый реактор был «родным братом» Ф-1. Вертикальная компоновка, графитовый цилиндрический блок с проходящими через него параллельно оси 248 технологическими трубами-каналами с шагом квадратной решетки 200 мм. Размеры активной зоны составляли 3 метра высоты и 2,8 метра в диаметре – внешне, повторимся, ничего необычного.

«Необычность» заключалась исключительно в топливе и в использовании сырья для производства трития. Уран-магниевые блоки с обогащением по урану-235 в 2% загружались в технологические каналы центральной части активной зоны, а на периферию грузили блоки с сульфатом лития – Li2SO4. 3,5 тонны ядерного топлива и обеспечивали большую плотность потока нейтронов, которая обеспечивала протекание реакции, превращающей литий в два других элемента, тритий и гелий:

https://imgprx.livejournal.net/b7af5eba227b804b55849d85222ec3e35b8140d2/nPNzxLNPl-cg4RkWC50qQ8Fnf0kqqOZt5Crd3mmEd4wqvk5uRnyS-OLwRuX0J0yFg900hJ0k1UuVUjGl85Ti14Dcvxo92Oe3dWjK4pDS02mTQDsJTvz5pBKBd1n5vshUqnUwFqoGckzcGhIo22y0CQМэВ,
Основной целью работы реактора АИ было именно получение трития, для чего требовалось максимально возможное количество нейтронов утечки – тех, которые «разбегались» в результате ядерной реакции распада урана. Для того, чтобы получить как можно больше трития, сульфат лития загружали и в каналы с обогащенным ураном – сверху и снизу основной загрузки.

Заметим, что разработанный метод основательно «растиражирован» – уран-графитовые реакторы используются для получения самых разных изотопов по такой же схеме.

Но, раз уж в этом цикле статей мы ведем рассказ о становлении атомной энергетики, рассказ о дейтерии, изотопах лития и его дейтериде, о тритии оставим в стороне. Комбинат №817 продолжал расти – реактор АИ стал частью еще одного производственного комплекса, в который вошли цех снаряжения магниевого топлива, печное отделение для извлечения из облученных блоков сырого газа, отделения очистки и разделения газа по изотопам, азотно-кислородная станция, всевозможные мастерские.

Атомоград рос с каждым годом, все новые физики и химики становились его постоянными жителями, но и это – отдельная история.

Реактор АИ стал предтечей первой АЭС сразу по нескольким причинам. Впервые были использован обогащенный уран, впервые топливная сессия (время нахождения ядерного топлива в активной зоне реактора) стала намного более длительной, чем в реакторах для наработки плутония. Впервые ученым и конструкторам пришлось проектировать и более серьезную схему охлаждения реактора – использование обогащенного урана привело к тому, что температура графитовой кладки стала достигать 500 градусов.

Не случайно мы упомянули про азотно-кислородную станцию – для охлаждения графита подавали азот, который не окисляет графит. Впервые пришлось значительно увеличить объем охлаждающей технологические каналы воды – 900 кубометров в час и скорость потока 4,5 м/с.

Выбор сделан

Когда закончился физический пуск реактора АИ, были получены его уточненные физические характеристики и началась подготовка оборудования и систем к выходу реактора на проектную мощность. Подъем шел поэтапно, после каждого шага проходила перепроверка всех расчетных характеристик, выход на проектную мощность состоялся 14 февраля 1952 года. На реакторе АИ было испытано несколько вариантов ядерного топлива – накапливался практический опыт, который был важен при проектировании первого энергетического реактора.

Решение о том, что этот шаг будет сделан, было уже принято – 29 ноября 1949 года прошло небольшое такое совещание по этому поводу. Перечислим имена участников в надежде на то, что нашим читателям этот список скажет многое: Игорь Васильевич Курчатов, Николай Антонович Доллежаль, Борис Сергеевич Поздняков и заместитель Курчатова – Анатолий Петрович Александров.

Совещание рекомендовало НТС Спецпроекта включить в план научно-исследовательских работ на 1950 год «проект реактора на обогащенном уране с небольшими габаритами только для энергетических целей общей мощностью по тепловыделению в 300 единиц, эффективной мощностью около 50 единиц с графитом и водяным теплоносителем». Как позднее писал Курчатов о выборе типа реактора:

«В уран-графитовом котле может более, чем в других агрегатах, использован опыт обычной котельной практики: общая относительная простота агрегата облегчает и удешевляет строительство»

Разработка физических принципов энергетического реактора при одновременной наработке практического опыта работы реактора на обогащенном уране – подготовка к созданию первой в мире АЭС шла по всем правилам научно-технического искусства.