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技术历史、技术、我们身边的事物
核电站。 发明和生产的历史
核电厂 (NPP) - 位于项目定义的区域内以特定使用模式和条件生产能源的核装置，其中有核反应堆（反应堆）和必要系统、装置、设备的综合体并为此目的使用具有必要工人的结构（人员）。 广岛原子弹爆炸九年后，世界上第一座核电站在苏联建成。 在这一技术史上最重要的事件发生之前，人们为制造我们自己的核武器进行了狂热而紧张的工作。 科学研究由杰出的科学家和才华横溢的组织者伊戈尔库尔恰托夫领导。
1943年，库尔恰托夫在莫斯科创建了自己的研究中心（当时叫二号实验室，后来改建为原子能研究所）。 在这个实验室和其他一些实验室中，美国科学家的所有研究都在最短的时间内重复进行，获得了纯铀和纯石墨。 2 年 1946 月，第一次链式反应在实验性铀石墨反应堆 F1 进行。 这个反应堆的功率几乎没有达到 100 瓦。 然而，它设法获得了作为大型工业反应堆设计基础的重要数据，该反应堆的开发已经全面展开。 在苏联没有建造这种反应堆的经验。 经过一番思考，库尔恰托夫决定将这项工作委托给由 Nikolai Dollezhal 领导的 NIIkhimmash。 尽管 Dollezhal 是一名纯机械化学家，从未研究过核物理，但事实证明他的知识非常有价值。 然而，NIIkhimmash 也无法自行创建反应堆。 只有在其他几个研究所加入后，这项工作才得以成功。 Dollezhal反应堆的工作原理和结构通常很清楚：带有用于铀块和控制棒通道的石墨块 - 中子吸收器放置在金属外壳中。 铀的总质量必须达到物理学家计算的所需值，铀原子的持续裂变链式反应开始。 由于铀原子核的裂变反应，不仅出现了两个碎片（两个新的原子核），而且还出现了几个中子。 这些第一代中子用于支持反应，从而产生第二代、第三代中子，依此类推。 平均而言，每产生一千个中子，只有几个不是瞬间产生的，在裂变的那一刻，而是稍晚一点从碎片中飞出。 这些所谓的延迟中子的存在，是铀裂变过程中的一个小细节，对于可控链式反应的可能性具有决定性意义。 其中一些延迟了几分之一秒，另一些延迟了几秒钟或更长时间。 延迟中子的数量仅为其总数的 0%，但它们显着（约 75 倍）减慢了中子通量的增长速度，从而促进了调节反应堆功率的任务。 在此期间，通过操纵吸收中子的棒，可以干预反应过程，减慢或加快反应。 大多数中子是与裂变同时产生的，在它们短暂的生命周期内（大约十万分之一秒）不可能以任何方式影响反应过程，就像不可能阻止已经发生的原子爆炸一样开始了。 基于这些信息，Dollezhal 的团队能够快速应对任务。 早在 1948 年，就建造了一个带有多个工业反应堆的钚工厂，并于 1949 年 XNUMX 月测试了第一颗苏联原子弹。 在那之后，库尔恰托夫可以更加关注原子能的和平利用。 在他的指示下，范伯格和多勒扎尔开始开发核电站反应堆的设计。 第一个做了物理计算，第二个 - 工程。 核反应堆不仅可以生产武器级钚，还可以作为强大的发电厂，这一事实对它的第一批创造者来说已经很清楚了。 正在进行的核反应以及放射性辐射的外部表现之一是大量热量释放。 在原子弹中，这种热量会立即释放出来，并成为其破坏因素之一。 在连锁反应处于阴燃状态的反应堆中，强烈的热量释放可以持续数月甚至数年，而几公斤铀释放的能量与数千吨燃烧释放的能量一样多常规燃料。 由于苏联物理学家已经学会了如何控制核反应，因此建造动力反应堆的问题被简化为寻找从中去除热量的方法。 在库尔恰托夫的实验过程中获得的经验非常宝贵，但并没有回答很多问题。 当时建造的反应堆都不是动力反应堆。 在工业反应堆中，热能不仅是不必要的，而且是有害的——它必须被移除，即冷却铀块。 苏联或美国尚未考虑收集和利用核反应过程中释放的热量的问题。 设计核电站动力反应堆的最重要问题是：哪种类型的反应堆（快中子或慢中子）最合适，中子慢化剂应该是什么（石墨或重水），什么可以发挥作用作为冷却剂（水、气体或液态金属），它的温度和压力应该是多少。 此外，还有许多其他问题，例如材料、人员安全和提高效率。 最后，Feinberg 和 Dollezhal 选择了已经测试过的东西：他们开始开发一个带有石墨慢化剂和水冷却剂的慢中子反应堆。 在使用过程中已经积累了良好的实践和理论经验。 这预示了他们项目的成功。 1950 年，中型机械制造部技术委员会从几个提议的选项中选择了 NIIkhimmash 开发的反应堆。 整个发电厂的设计（决定在奥布宁斯克建造）被委托给以古托夫为首的列宁格勒研究所之一。 第一座核电站的计划容量为 5000 千瓦，很大程度上是偶然选择的。 就在那时，MAES 将一台功能齐全的 5000 kW 涡轮发电机退役，并将其运送到正在建设中的奥布宁斯克。 在此之下，他们决定设计整个核电站。
动力反应堆与其说是一个工业对象，不如说是一个科学对象。 核电站的建设由成立于 1947 年的奥布宁斯克物理与能源实验室直接监督。 早些年，既没有足够的科学力量，也没有必要的设备。 生活条件也远不能接受。 这座城市刚刚建成。 春秋两季，未铺砌的街道上铺满了无法通行的泥泞，汽车被困在其中。 大多数居民都挤在木制营房和不舒服的“芬兰”房屋中。 该实验室位于完全随机且不适合科学目的的建筑物中（一个是前儿童殖民地，另一个是莫罗佐夫的豪宅）。 电力是由一台旧的 500 千瓦蒸汽轮机产生的。 当她停下来的时候，整个村子和工地都陷入了黑暗。 最复杂的计算是手动进行的。 然而，科学家（其中许多人最近才从前线回来）坚定地忍受了这些困难。 他们正在设计和建造世界上第一座核电站的想法激发了人们的思想并激起了极大的热情。 至于纯粹的科学问题，也是非常困难的。 动力反应堆和工业反应堆的根本区别在于，在第二种反应堆中，水仅用作冷却剂，不具有任何其他功能。 此外，水带走的多余热量使其温度没有完全达到沸点。 在这里，水将充当能量载体，即用于形成能够进行有用功的蒸汽。 因此，有必要尽可能提高温度和压力。 为了涡轮发电机的有效运行，至少有必要获得温度超过 200 度和压力为 12 大气压的蒸汽（顺便说一下，当时的压力非常小，但我们决定将自己限制在这些参数现在）。
在建造过程中，以工业反应堆的设计为基础。 仅提供铀除热元件 - 燃料元件而不是铀棒。 它们之间的区别在于，水从外部绕着棒流，而燃料棒是双壁管。 浓缩铀位于墙壁之间，水流过内部通道。 计算表明，采用这种设计，将其加热到所需温度要容易得多。 根据草图，反应堆的以下外观若隐若现。 在直径超过1,5 m的圆柱体的中部，有一个活动区——一个约170 cm高的石墨砌体，被通道贯穿。 其中一些用于燃料棒，另一些用于吸收中子并在给定水平自动保持平衡的棒。 冷水（实际上一点也不冷——它的温度约为 190 度）应该流入燃料棒组件的下部。 通过散热元件后，温度升高了 80 度，它落入组件的上部，并从那里进入热水收集器。 为了不沸腾并变成蒸汽（这可能导致反应堆异常运行），它必须处于 100 atm 的压力下。 来自收集器的热放射性水通过管道流入热交换器-蒸汽发生器，然后通过循环泵返回冷水收集器。 这个电流被称为第一回路。 冷却剂（水）在里面恶性循环，没有渗透到外面。 在第二个回路中，水充当工作流体。 在这里，她是非放射性的，对其他人来说是安全的。 在热交换器中加热到 190 度并变成压力为 12 个大气压的蒸汽后，它被提供给涡轮机，在那里它做了有用的功。 离开涡轮机的蒸汽将被冷凝并送回蒸汽发生器。 整个电厂的效率为 17%。 这种看似容易描述的方案，实际上在技术上非常复杂。 那时还没有反应堆的理论——它是随之诞生的。 燃料棒是一个特别复杂的元件，其设计在很大程度上取决于整个装置的效率。 从各个角度来看，其中发生的过程都非常复杂：有必要决定如何以及如何将铀装入其中，浓缩到何种程度，如何在高压下实现水循环，以及如何以保证热交换。 从几个选项中，选择了由 Vladimir Malykh 开发的燃料元件 - 铀钼粉末（铀浓缩至 5%），用细碎的镁压制 - 这种金属应该与铀钼合金产生有效的热接触燃料元件壁。
不仅燃料元件的填充，而且其包壳也产生了问题。 散热元件的材料必须具有强度、抗腐蚀能力，并且不应在长时间暴露于辐射下改变其特性。 从化学的角度来看，最好的材料——不锈钢——不被物理学家喜欢，因为它强烈吸收中子。 最后，Dollezhal 还是选择了钢铁。 为了补偿其吸收性能，决定增加浓缩铀的百分比（很久以后，为满足所有必要条件的燃料元件开发了一种特殊的锆合金）。
事实证明，燃料棒的制造和不锈钢的焊接极其困难。 每个燃料元件有多个接缝，共有128个这样的燃料元件，同时对接缝的密封性要求最高——它们的破裂和高压热水进入反应堆堆芯威胁着灾难。 致力于解决此问题的众多研究所之一的任务是开发不锈钢焊接技术。 最终，工作顺利完成。 该反应堆于 1954 年 XNUMX 月发射，同年 XNUMX 月，核电站首次通电。 在第一座核电站，反应堆中发生的过程的控制系统经过仔细考虑。 为控制棒的自动和手动远程控制、反应堆的紧急关闭以及更换燃料棒的设备创建了设备。 众所周知，核反应只有在达到裂变材料的某个临界质量时才开始。 然而，在反应堆运行期间，核燃料会燃烧殆尽。 因此，有必要计算大量的燃料，以确保反应堆的运行时间或多或少。 这种超临界边界对反应过程的影响通过吸收过量中子的特殊棒来补偿。 如果需要增加反应堆的功率（当燃料耗尽时），控制棒会从反应堆堆芯稍微伸出，并安装在反应堆处于链式反应和铀活跃裂变边缘的位置原子核正在发生。 最后，提供了紧急保护棒，将其降低到堆芯中立即熄灭了核反应。 作者：Ryzhov K.V.
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