Рождение кентавра. Часть1 (CIV43, NUC18)

Вся история цивилизации до изобретений эпохи угля и пара, если рассматривать её с энергетически-негэнтропийной точки зрения — это людские руки (читай:  =рабы и крестьяне), камень и кость, как орудия этих людей; и дрова или кизяк, чтобы согреться в холодную зиму.

Однако, шаг за шагом, очень постепенно, круг цивилизационных орудий расширяется — сначала вдобавок к охоте и к собирательству появляется скотоводство и земледелие, потом в истории людей возникают промышленные металлы — сначала медь, а потом бронза и железо.
Энергетическая основа цивилизации остаётся всё той же — руки и дрова, но вот способность концентрировать всю доступную цивилизации энергию во что-то полезное у людей растёт многократно.

Сейчас человечество находится в такой же непростой ситуации. Нам досконально известно, что мы хотим получить в результате внедрения реакторов-бридеров, термоядерных электростанций или даже какой-нибудь "абсолютно зелёной" Пенжинской ПЭС.


Потенциал одной Пенжинской ПЭС — 100 Гигаватт.

Проблема для нас в другом — по многим вопросам фактической реализации таких мегасложных и сверхмасштабных проектов мы ещё очень слабо представляем все шаги во всей многоступенчатой цепочке последовательной реализации этих проектов.

То есть, скорее всего, в конце этого пути, когда замкнутый ядерный цикл, термоядерный реактор или приливная станция в Охотском море с потенциалом в половину электроэнергетики всей России заработают на полную мощность, мы удивлённо скажем: "Чёрт, но ведь всё же просто было в самом начале! Надо было пойти сюда, вот тут сделать так, а тут..."

Но это будет уже потом, постфактум. В тот момент, когда можно критиковать исследователей и первопроходцев и говорить: "На их месте мы бы — ого-го!"

По факту же это "ого-го" всегда получается отнюдь не сразу и совсем не так очевидно.
И поэтому у меня есть две истории для вас. Истории про реактор и про мирный русский трактор крестьянскую лошадку, которая служила нам верой и правдой от времён камня и кости и вплоть до момента создания этого самого реактора.

Рассказывая о первом промышленном ядерном реакторе, я постараюсь избавить вас от множества технических деталей. Пусть, в рамках этой статьи реактор будет неким "чёрным ящиком", который Вам надо построить у себя на территории, чтобы обеспечить производство энергии на всякие различные нужды своей экономики:


Модель реактора. Масштаб 1: 10 000.

При этом, безусловно, данный "чёрный ящик", в отличии от компьютерных игр, должен быть обеспечен специфическим для него топливом, вам надо подготовить обслуживающий персонал и заняться утилизацией хвостов его "жизнедеятельности"; для строительства реактора вам надо иметь соответствующие заводы, материалы, проекты и технологии.

Ведь текст на самом деле будет не о реакторах. Текст будет больше о людях.

Исторически так сложилось, что первые реакторы, разработанные и в СССР, и в США, совершенно не ставили перед собой задачи получения ни тепловой ни, тем более, электрической энергии. Задача этих очень специфических устройств состояла лишь в максимально быстрой наработке делящихся материалов для ядерного оружия.

Для понимания сути того времени и условий той гонки стоит читать воспоминания участвовавших в ней людей. Например, почитать бригадного генерала Лесли Гровса. Он, как простой вояка и уверенный в своей правоте американский отставник, в своих мемуарах с говорящим названием "Теперь об этом можно рассказать", описывает ситуацию "как она есть", без каких-либо купюр или политкорректностей более поздней историографии.


Лесли Гровс — единственный, кроме Оппенгеймера, американец в руководстве Манхэттенского проекта

После взрыва первой американской атомной бомбы в Нью-Мексико, которая, по сути дела, поставила точку в страхах о том, что гитлеровская Германия опередит США в создании ядерного оружия, Гровс очень показательно ответил на слова Оппенгеймера: «Война кончена». Он сказал: «Да, но после того, как мы сбросим еще две бомбы на Японию».
Для него этот вопрос был давно решенным делом. Ружьё, висящее на стене, должно было выстрелить в последнем акте.

Показателен и выбор Гровсом объектов для бомбардировки в Японии. Гровс сделал это без привлечения военных специалистов, занимавшихся планированием военных операций в американском генеральном штабе. Он предложил первоначально четыре объекта для атомной бомбардировки: города Кокура, Хиросима, Ниигата и, самое гласное —  центр древней культуры, бывшую столицу Японии — Киото.

При назначении этих объектов Гровс руководствовался соображениями, весьма далекими от гуманности. Когда у присутствующих возникли возражения против Киото, он привел в доказательство своей правоты два аргумента: во-первых, население этого города насчитывает больше миллиона жителей, что, следовательно, обещает хороший эффект взрыва; во-вторых, он занимает огромную площадь, на которой вполне уложится предполагаемый диаметр зоны разрушения и поэтому картина взрыва будет очень показательна для экспертов. Одним словом, генерала Гровса очень устраивала площадь города и число погибших людей для оценки мощности бомбы.

Характерен для личности Гровса и такой факт: когда в итоге Киото в качестве цели всё же было отвергнуто политиками, а целями были утверждены Хиросима и Нагасаки, выяснилось, что вблизи них находятся лагеря военнопленных американцев и их союзников, но и тогда Гровс, не колеблясь, дал указание не принимать во внимание этот фактор.

В общем, вот такие высокоморальные люди стояли в то время в руководстве американской ядерной индустрией — начиная от генерала Гровса и заканчивая президентом Трумэном. Ну и вопрос ядерной энергетики, конечно, отнюдь не стоял у них на повестке дня — для них ядерная энергия — это была бомба и ещё раз бомба.

После бомбёжек Хиросимы и Нагасаки, в который США продемонстрировали миру всю разрушительную силу нового оружия, стало ясно — США применят ядерную бомбу против СССР без малейших колебаний. Собственно говоря, первый залп той, Холодной войны прозвучал прозвучал там, где, вполне возможно прозвучит первый залп новой, горячей войны  — он прозвучал в Иране, в 1946 году.

Поэтому задачей СССР при создании первых реакторов была скорость, скорость и только скорость. Об их собственном энергопотреблении военные заботились весьма мало, если даже и никак, и первые военные и исследовательские реакторы и в СССР, и в США энергию не только не производили, но и неслабо в себя потребляли. При этом все движения по Атомному проекту надо было делать скрытно и не привлекая внимания США.

Даже выбор строительной площадки под знаменитый сейчас комбинат "Маяк" — тогда включавшего в себя лишь первый ураново-графитный реактор "Аннушка" (А-1), осуществляли исходя из потребностей как-то скрыто организовать принудительное охлаждение первого советского промышленного реактора и спрятать его от посторонних глаз. Озеро Кызыл-Таш на Южном Урале было указано, как хороший вариант, самим Курчатовым: охлаждаемый градирней реактор был бы виден зимой с воздуха по пару, а при использовании озера без градирни, пар был бы уже не столь отчётливо виден на аэрофотоснимках. Ну и общая удалённость и от границ, и от собственных городов тоже дополняла картину общей секретности проекта.

Что интересно — проект "Аннушки" был совершенно отличным от американских реакторов-наработчиков плутония. Для "Аннушки" советские инженеры выбрали вариант компоновки не с горизонтальными, а с вертикальными каналами для уранового топлива и замедлителя. Этот вариант компоновки активной зоны сыграет с реактором злую шутку чуть позже, но и одновременно — послужит лекалами для почти всех энергетических реакторов будущего. Однако пока про мегаватты ещё никто не думал. Стране надо было собрать бомбу.



Игорь Курчатов в молодости.
Потом его будут звать просто — Борода.

Основной "полезностью" такого реакторного энергетического непотребства на момент конца 1940-х годов была возможность быстрого превращения в таких реакторах-наработчиках природного изотопа урана ²³⁸U в изотоп плутония ²³⁹Pu.

Как мы помним, процесс разделения изотопов урана на высокопроизводительных центрифугах был освоен гораздо позднее (в 1960-е годы), а в 1940-е годы изотопы урана приходилось разделять жутко непроизводительными химическим, электромагнитным и газодиффузионным способами.
Даже сам природный очищенный уран был в СССР тогда редкостью — к середине 1946 года, в основном на территории оккупированной Европы, под руководством заместителя Берии по атомному проекту — генерала Авраамия Павловича Завенягина, было найдено всего около 220 тонн различных соединений урана в пересчёте на чистый металл (собственные запасы урана в СССР к тому моменту всё ещё исчислялись лишь единицами тонн).

Урана у страны было столь мало, и давался он столь трудно, что когда 19 июня 1948 года первый промышленный реактор "Аннушка" наконец-то был выведен на проектную тепловую мощность в 100 МВт — казалось, можно было вздохнуть спокойно.
Но, практически сразу же на новом реакторе произошло "козление" урановых блоков внутри активной зоны. В вертикальных каналах урановые сборки начало гнуть и ломать от температурных напряжений. Руководители работ на "Аннушке" — академик Курчатов и генерал Завенягин приняли на себя личное руководство ремонтными работами.

"Протолкнуть" закозлившиеся рабочие блоки вниз, как это запланировано в проектной схеме реактора, не удавалось. Потянули вверх и трубка лопнула: заклиненная часть сборки застряла в ячейке реактора. Автоматизированные работы закончились и пошла "ручная разборка" — с заходом людей в активную зону реактора. Выдавить снизу домкратом не получилось. Трубку высверливали специальной фрезой. Пирофорный уран при этом загорался и сплавлялся с графитом, образуя карбиды. Курчатов на все это смотрел лично и решил заблокировать дефектную ячейку каналами с водой. После чего Завенягин с Курчатовым на пару снова включили реактор. 25 июня, через неделю, закозлило ещё один канал. Вскорости новые проблемы с экспериментальным по сути реактором пошли косяком: началась коррозия топливных трубок и утечка воды в графитовую кладку. В конце 1948 года реактор стал глохнуть. К 20 января 1949 года выбора уже не было — начался капитальный ремонт "Аннушки".

Работа шла 66 дней. Под облучением — урановое топливо уже набрало радиоактивность в ходе цепных реакций распада ядер. Нормой было не более 100 рентген на человека, но Курчатов с Завенягиным и многие физики уже были с громадным перебором по дозе. Технологию извлечения труб присосками делали на ходу. Выкинуть плохие трубки просто так было нельзя: страна вложила туда весь имевшийся тогда уран. То есть — надо было работать с уже облучёнными и сильно активными блоками урана. "Нормальный" ремонт занял бы как минимум год. А года у страны не было.

Генерал Авраамий Павлович Завенягин сидел и наблюдал за работой слесарей на месте, если не успокаивая их, то невольно подгоняя своим присутствием. Не за свинцовой стенкой...

Полученный с таким трудом в ходе цепной реакции в реакторе "А-1" плутоний тут же отгружался на расположенное рядом радиохимическое производство по выделению ²³⁹Pu, которое получало из облученных трубок концентрат плутония, состоявший в основном из фторидов плутония и лантана. Уже в феврале 1949 года первая партия оружейного плутония была готова.
В начале августа 1949 года в СССР был получен высокочистый металлический плутоний и первая советская атомная бомба взорвалась уже 29 августа 1949 года, всего через четыре года после Хиросимы.
В это не верил никто. Ведь по расчётам американцев — СССР должен был угробить на атомный проект минимум 15 лет.


«Россия делает сама» — РДС-1

Генерал Завенягин умер всего через 7 лет, от лучевой болезни. Ему было 55. Вот такой он был, железный "Строитель Норильска".
Именно на таких людях держался весь советский атомный проект.

Академик Игорь Васильевич Курчатов умер 7 февраля 1960 года. Но в последние годы своей жизни он успел подарить миру ещё две вещи, каждая из которых была гораздо важнее всех ядерных и термоядерных бомб, которые были им разработаны. Это были ядерная станция и идея управляемой термоядерной реакции.

После испытания первой атомной бомбы академик Курчатов на встречах с профессором Доллежалем, который был одним из проектировщиков злополучной, но архиважной для страны "Аннушки", и с профессором Фейнбергом, обсудил возможность создания атомной электростанции, ориентируясь на опыт конструирования и эксплуатации первых военных реакторов.

Страна испытывала недостаток в электроэнергии и идея использовать для её производства возможности военных по наработке ядерного топлива просто-таки "витала в воздухе". Но, в то же время, вопрос энергетического использования урана встречал противодействие даже среде участников атомных разработок в СССР — ведь тогда ещё толком не был решён не то что вопрос паритета с американцами в зарядах — даже производство атомных бомб ещё только налаживалось.
Американцы же в то время вообще рассматривали ядерную электроэнергетику, как нечто экзотическое и отстоящее в некое абстрактное и отдалённое будущее. У Америки была нефть Гавара, да и до начала масштабного нефтяного импорта ещё было далеко и в него ещё никто не верил. Ведь Кинг Хабберт озвучит свои идеи ещё только через шесть долгих лет.

Подготовительные работы по советской АЭС начались вообще в рамках военного проекта, лишь благодаря авторитету Курчатова. Обычные урановые блоки военных реакторов были непригодны для АЭС, поскольку все понимали, что мало нагреть воду в реакторе — надо ещё превратить её в каналах реактора в перегретый пар под давлением, который сможет своей энергией крутить турбины и генераторы. Для этих целей пришлось сконструировать специальные технологические каналы, состоящие из системы тонкостенных трубок небольшого диаметра, на наружных поверхностях которых размещалось ядерное топливо. Технологические каналы в несколько метров длиною загружались в ячейки графитовой кладки реактора мостовым краном реакторного зала и присоединялись к трубопроводам первого контура съемными деталями. Имелось и много других отличий, усложнявших сравнительно небольшую военную атомную установку для целей производства электроэнергии.

Когда в результате этих предварительных работ определились основные характеристики проекта АЭС, о нем доложили Сталину. Он сразу же поддержал проект атомной энергетики, и ученые, до этого осуществлявшие все работы по АЭС на свой страх и риск, получили не только одобрение, но и помощь в реализации нового направления.

Уже 16 мая 1950 года было принято Постановление Совета Министров, которое определило план строительства трех опытных реакторов (уран-графитового с водяным охлаждением, уран-графитового с газовым охлаждением и уран-бериллиевого с газовым или жидкометаллическим охлаждением). По первоначальному замыслу все они поочередно должны были работать на единую паровую турбину и генератор мощностью в 5 МВт. Надо сказать, что смелость такого подхода тогда граничила с безумством — ведь на фоне проблем с "Аннушкой" ещё и стараться сделать реактор под давлением выглядело совершенно бесшабашной идеей (впрочем, надо отдать должное американцам — Энрико Ферми на заре атомного проекта мочил кони и похлеще).

Так родилась будущая Обнинская АЭС.


Обнинская АЭС. Первая. Просто — Первая.

В общих чертах проектный облик всех проектных реакторов Первой АЭС остался при реализации близким к первоначально предложенным. Собственно говоря, вокруг идей, которые были заложены тогда при проектировании этих реакторов и крутится до сих пор большая часть мировой конструкторской мысли. Всего при проектировании Обнинской АЭС было предложено три варианта компоновки.

Реактор с бериллиевым замедлителем был реализован в виде проекта реактора со свинцово-висмутовым охлаждением, уран-бериллиевым топливом и промежуточным спектром нейтронов. То есть, по факту, это была первая разработка в мире энергетического реактора на жидкометаллическом теплоносителе. Привет, опытные установки атомные установки подводного флота СССР и реакторы-бридеры серии БН.

Вместо гелий-графитового реактора был создан водо-водяной реактор — будущий основной тип реактора для подводных лодок и ледоколов, а также основной тип реактора современных АЭС. Опять-таки, здесь впервые в мире в рамках технического проекта заложена основная идея современных лёгководных реакторов — реакторов с двумя водяными контурами. Это сейчас самый распространённый энергетический реактор, именно к этому типу относятся основная часть реакторов современных АЭС. Ну и, конечно, "Золотая рыбка",  с её безумными 44 узлами скорости хода в подводном положении.

И, наконец, изначальная идея уран-графитового реактора с водяным охлаждением была признана наиболее доведенной для практической реализации и на её основе решено было строить первый блок Первой АЭС. Это оказался первый реализованный в мире проект одноконтурного канального уран-графитового реактора с водяным охлаждением. То есть, Обнинская АЭС ещё оказалась прабабушкой РБМК (Реактор Большой Мощности Канальный), который через сорок лет будет печально знаменит в связи с грустным словом Чернобыль.

Собственно говоря, в мировом приорите у западных учёных однозначно остаются только два направления мирового реакторостроения — реакторы на тяжёлой воде, пальму первенства по энергетическому применению которых сейчас держат Канада и Индия, и реакторы на кипящей воде, которые смогли стройным квартетом задать жару человечеству во время Фукусимского инцидента.

Вот такой вот опасный кентавр эта ваша ядерная энергия.
Но опасно всё — ведь несколько тысяч лет тому назад не было ничего опаснее поднятого на судне паруса или оседланной лошади. Ведь тогда это было в разы круче, чем простые руки и каменный топор.

Ведь тот, кто тогда мог поднять парус или взнуздать лошадь — владел будущим. Поскольку путь в тысячу лет до чайных клипперов и стремительных уланов начинается с первого, ещё робкого шага.

И — вторая идея Курчатова отнюдь не безумный и несбыточный проект. Кентавры ведь никогда не рождаются просто так, легко и сразу.



И кентавры — это всегда опасно.