Цепная реакция
Советские ученые создали первую атомную электростанцию. Она изменила мир
Когда в 1950-х годах Советский Союз начал строить первую атомную электростанцию, мало кто представлял, насколько она изменит жизнь людей, промышленность, науку и медицину. В наши дни атомные технологии дают не только экологичный и безопасный источник электроэнергии, но позволяют покорять безлюдные территории вечной мерзлоты, осваивать космос и спасать жизни миллионов людей. «Лента.ру» рассказывает о том, как первая атомная электростанция повлияла на мир и почему эта отрасль имеет исключительное значение для России.
Секретный завод
Советская атомная промышленность ведет отсчет своего рождения от 20 августа 1945 года, когда Государственный комитет обороны СССР принял решение о создании Первого Главного Управления для руководства всеми работами по урану. Причем еще до начала испытаний атомной бомбы советские ученые задумались о мирном применении атомной энергии и начали исследовать возможность строительства электростанции на ядерном топливе.
Строительство началось в 1950 году под Москвой в условиях строжайшей секретности, чтобы не привлекать внимание потенциальных противников.
По словам руководителя музейной группы отраслевого мемориального комплекса «Первая в мире АЭС» Инны Мохиревой, Сталин выделил на проект всего год, как и на другие стратегические объекты. Но даже четыре года, за которые построили Обнинскую АЭС — рекордный срок, так как опыта строительства подобных сооружений ни у кого в мире не было. При этом аналогичные разработки велись и в США — в 1951-м в городе Арко штата Айдахо создали исследовательский реактор EBR-I, вырабатывающий всего 800 ватт электроэнергии. Лабораторный опыт позволил зажечь несколько лампочек.
«Все понимали, что подобные разработки интересуют конкурентов с Запада, поэтому здания станции и лаборатории возводились по типу гражданской застройки, в стиле сталинского ампира, чтобы не привлекать внимание с воздуха», — Инна Мохирева.
Привлеченным для строительства осужденным говорили, что они копают котлован под некий «секретный завод». Интересно, что параллельно со строительством АЭС в Москве возводили главный корпус МГУ, и власти отдали приоритет объекту в Обнинске, поэтому часть строителей перебросили в Калужскую область.
В результате спустя четыре года — в мае 1954 года — был запущен реактор, а в июне того же года Обнинская атомная электростанция дала первый промышленный ток в систему Мосэнерго, открыв дорогу использованию атомной энергии в мирных целях. Однако с мощностью в 5 мегаватт она не играла серьезной роли в энергообеспечении страны. Пуск первой в мире АЭС, подключенной к электросети, был стратегической задачей и впоследствии она стала базой для новейших разработок.
Энергия распада ядра
В основе работы обычного ядерного реактора лежит выделение энергии при распаде радиоактивных изотопов — как правило, урана. Высвобождающиеся при распаде ядер нейтроны запускают цепной механизм реакций в соседних атомах, что обеспечивает поддержание непрерывной работы установки.
Первый в истории ядерный взрыв был произведен летом 1945 году в пустыне Аламогордо в США. Спустя четыре года атомную бомбу на Семипалатинском полигоне впервые испытал СССР.
Советский Союз, разрушенный войной, не жалел ресурсов и денег на «Изделие 501», потому что после американской атомной бомбардировки японских городов Хиросима и Нагасаки встал вопрос о безопасности нашей страны. Первый план удара по СССР «Пинчер» (клещи) появился в 1946 году и предполагал сброс 50 атомных бомб на 20 советских городов. Для проведения ядерных исследований и их реализации привлекались специалисты из послевоенной Германии. При этом в США не ожидали, что в СССР атомная бомба появится так скоро — по их оценкам, Советский Союз должен был обзавестись ядерным оружием не раньше 1952 года.
Только после решения оборонных задач, советские ученые получили возможность использовать ядерные технологии в мирных целях. Наиболее перспективным применение ядерных технологий считается в электроэнергетике, где мирный атом обеспечивает доступ к практически универсальному источнику энергии. Важнейшим условием развития таких технологий является безопасность.
«Лично я убежден в том, что человечество нуждается в ядерной энергии. Она должна развиваться, но при абсолютных гарантиях безопасности», — говорил академик Андрей Сахаров.
От бомбы к реактору
Ядерные реакторы, применяемые в атомных электростанциях, устроены намного сложнее атомных бомб. Основой атомной станции является реактор, куда загружают ядерное топливо и где протекает управляемая цепная реакция. Как правило используют обогащенный уран (с повышенным содержанием изотопа уран-235), который делится медленными (тепловыми) нейтронами. Выделяемое в результате тепло отводится из активной зоны реактора теплоносителем, чаще всего водой или жидким металлом, как в реакторах на быстрых нейтронах. Эта тепловая энергия используется для получения водяного пара в парогенераторе, после чего через парогенератор преобразуется в электроэнергию.
АЭС стали идеальной альтернативой газовым и угольным станциям, так как при их работе в атмосферу не выбрасывается CO2. В целом, при соблюдении технологии строительства и эксплуатации влияние АЭС на окружающую среду значительно меньше, чем других технологических объектов. К примеру, из 1 килограмма урана можно получить 620 тысяч киловатт-часов электроэнергии, что в 88 тысяч раз больше, чем при сжигании угля.
Первый в мире атомный реактор, в котором была осуществлена самоподдерживающаяся ядерная реакция, заработал в 1942 году в США. Эта установка позволила ученым приступить к реализации «Манхэттенского проекта», в ходе которого Соединенные Штаты создали свои первые атомные бомбы.
Однако приоритет в развитии гражданских атомных реакторов принадлежал Советскому Союзу.
Одновременно с испытаниями бомбы в СССР начались работы по созданию первой в мире АЭС. Обнинская станция проработала 48 лет, а основную роль в реализации проекта играл советский физик Игорь Курчатов. Обнинская АЭС заложила основы ядерной энергетики в России. «С легким паром!» — сказали на пуске этой гражданской электростанции академики Игорь Курчатов и Анатолий Александров, одни из организаторов атомной науки в Советском Союзе.
Затем СССР начал масштабную программу строительства АЭС по всей стране и за рубежом. В октябре 1966 года была введена в эксплуатацию первая такая станция — в городе Райнсберг, ГДР. В 1970-х — начале 1980-х годов производственные объединения «Атомэнергоэкспорт» и «Зарубежатомэнергострой» вели строительство АЭС в Болгарии, Финляндии, Чехословакии, Венгрии, на Кубе и в других странах.
Однако в 1990-х отрасль стагнировала, некоторые из этих проектов заморозили или закрыли, и после распада СССР в России осталось 80 процентов всех АЭС Советского Союза — девять атомных электростанций из пятнадцати с 28 энергоблоками.
Рост возобновился в 2000-х годах. Так, в 2001 году состоялся физический пуск первого энергоблока Ростовской АЭС. Впоследствии на электростанции были запущены еще три энергоблока. К настоящему времени Ростовская АЭС — одна из крупнейших атомных электростанций России, обеспечивающая около половины электрогенерации на юге страны.
На самообеспечении
С момента появления АМ-1 на Обнинской АЭС сменилось три поколения реакторов и отрасль ушла далеко вперед. Следующим большим шагом станет переход к реакторам на быстрых нейтронах. Помимо того, что они работают с другой топливной смесью, они еще способны нарабатывать ядерные материалы и дожигать высокоактивные отходы. В таком атомном реакторе нет привычных замедлителей, а в качестве теплоносителя используется жидкий металл.
Основным преимуществом реакторов на быстрых нейтронах является возможность перехода на замкнутый цикл использования ядерного топлива. В итоге их можно использовать не только для электроснабжения, но и для получения нового ядерного топлива, что существенно расширяет топливную базу ядерной энергетики.
В России первый исследовательский ядерный реактор на быстрых нейтронах БР-1 заработал в 1955 году в том же Обнинске. Это позволило уже спустя год провести первую в Европе цепную реакцию деления плутония на быстрых нейтронах, а также продемонстрировать возможность расширенного воспроизводства ядерного топлива. БР-1 работает и по сей день, его используют в метрологических целях как источник нейтронов и гамма-лучей.
В области реакторов на быстрых нейтронах Россия занимает лидирующее положение не только по их числу, но и по практическому внедрению таких установок. Так, на Белоярской АЭС работают единственные в мире промышленные реакторы на быстрых нейтронах БН-600 и БН-800. В нескольких странах работают лишь исследовательские установки.
В 2022 году планируется обеспечить эксплуатацию реактора на быстрых нейтронах (реактор БН-800) с использованием исключительно МОКС-топлива. Сырьем для его производства выступит оксид плутония, наработанный в энергетических реакторах, и оксид обедненного урана, полученный путем обесфторивания гексафторида обедненного урана (ОГФУ), что станет наглядной демонстрацией замыкания ядерного топливного цикла.
Универсальная станция
Число действующих ядерных энергоблоков в мире составляет 441. Более половины всей вырабатываемой в мире на АЭС электроэнергии приходится на Соединенные Штаты и Францию. В России на десяти атомных электростанциях генерируется почти 20 процентов всей электроэнергии страны. Причем в европейской части страны этот показатель составляет 40 процентов, а суммарная мощность всех 38 энергоблоков российских АЭС превышает 30 гигаватт (30 миллиардов ватт). Еще три энергоблока АЭС строятся.
В 2019 году российскими АЭС был установлен новый рекорд по выработке электроэнергии — более 208,7 миллиарда киловатт-часов.
Почти половину этого показателя обеспечили Ростовская, Калининская и Балаковская АЭС. Еще раньше, в 2016 году, Россия первой в мире ввела в эксплуатацию энергоблок поколения 3+ на Нововоронежской АЭС-2. Это стало одним из важнейших событий года в сфере атомной энергетики.
«Россия — первая, кто построил такой блок. Таким образом, НВАЭС-2 становится референтной для всех, потому что большая часть наших покупателей, собственно, на вопрос: „А что вы хотите купить?“ — говорят: „Вот такое же. Сделайте нам такое же, как у себя“. Что ж, прекрасно», — заявлял председатель Наблюдательного совета Госкорпорации «Росатом» Сергей Кириенко.
Постоянное совершенствование и полный цикл обслуживания помогают России продвигать собственные ядерные технологии на международный рынок. Россия выполняет заказы на строительство 36 блоков от иностранных партнеров, среди которых Китай, Индия, Бангладеш, Белоруссия, Финляндия, Венгрия и Египет. Строительство АЭС за рубежом позволяет загрузить предприятия госкорпорации внутри страны.
Северный атом
Развитие атомной энергетики в России происходит параллельно с освоением Севера. Для замены угольной Чаунской ТЭЦ и Билибинской АЭС — единственной атомной станции, расположенной в зоне вечной мерзлоты — в России создали уникальный проект плавучей атомной электростанции (ПАТЭС).
ПАТЭС «Академик Ломоносов» проекта 20870 с водо-водяным реактором КЛТ-40С ввели в промышленную эксплуатацию в мае 2020 года. В настоящее время ПАТЭС находится в порту города Певек на Чукотке и является самой северной АЭС в мире.
Такой формат АЭС выглядит самым привлекательным для многих стран мира, так как крупные и мощные блоки АЭС, которые сейчас строит «Росатом», для них избыточны. И проект ПАТЭС может стать референтным на рынке АЭС малой и средней мощности.
Электростанция способна обеспечить теплом, электричеством и пресной водой до 100 тысяч человек, а ее срок службы — 35-40 лет. Для персонала (около 70 человек) на «Академике Ломоносове» созданы самые комфортные условия: в распоряжении сотрудников плавучей АЭС имеются спортивный комплекс, библиотека и салон отдыха.
«Это — один из главных результатов. Он крайне важен для нас как подтверждение на деле нашего лидерства в реакторных технологиях. Он важен и для всего всемирного технологического ландшафта атомной энергетики, потому что это то, о чем сейчас говорят практически все страны — и обладающие ядерными технологиями, и новички. Наши реакторы, которые работают на плавучей станции, имеют очень большие референции в двигательных установках, судовых установках. Вот в этом очень большой вектор развития всей будущей атомной энергетики», — сказал об «Академике Ломоносове» гендиректор «Росатома» Алексей Лихачев.
***
За 70 лет своего развития атомная энергетика прошла огромный путь. Сейчас на атомные электростанции (АЭС) приходится до десятой части вырабатываемой на планете электроэнергии, а к середине века этот показатель может удвоиться.
Россия обладает одними из самых конкурентных атомных технологий на планете и способна обеспечить весь цикл производства АЭС, начиная от добычи топлива и заканчивая обслуживанием станций. Лидерство России признается и Соединенными Штатами.
«На рынках ядерных материалов и технологий господствует Россия, — говорится в докладе Минэнергетики США. — Россия усиливает экономическое и внешнеполитическое влияние по всему миру, располагая зарубежными заказами на реакторы на сумму 133 миллиарда долларов».
С постоянным ростом населения Земли все сильнее будет ощущаться нехватка электроэнергии. Уже сейчас, по данным ООН, 20 процентов мирового населения не имеет доступ к электричеству, и для решения этой проблемы необходим экологичный и доступный источник. Чтобы покрыть эту потребность не хватит никаких ветряков и солнечных панелей, а углеродная энергетика загрязняет окружающую среду и лишь усугубляет проблему глобального потепления. Тем временем атомная отрасль движется к возобновляемым и безопасным ресурсам, что позволит стать АЭС не просто одним из источников энергии, а самым эффективным и безопасным.