«мирный», «мирный большой». и очень большой…
Задание на проектирование первого энергоблока с РБМК-1000 глава Минсредмаша Ефим Павлович Славский (1898-1991) подписал в апреле 1966 года. Проект был сделан очень быстро: всего за четыре с половиной месяца. В ноябре того же года Совет Министров СССР принял соответствующее постановление, дав таким образом отмашку: «Начинайте!».
Собственно, и начали, не откладывая дело в долгий ящик: уже в июле 1967 года принялись рыть котлован под фундамент главного здания; в сентябре уложили первый бетон в основание энергоблока; в июне 1971 года сдали шахту, в которой должен был разместиться реактор; в начале августа 1972 года взялись за сборку самого графитового реактора. Наконец, в июле 1973 года приступили к пусконаладочным работам. Близилась дата физического пуска…
О стройке первого энергоблока с РБМК-1000 следует сказать несколько отдельных слов, поскольку протекал этот процесс весьма непросто. С одной стороны, сам срок строительства – шесть лет – нельзя назвать совсем уж сжатым. Но все же этот энергоблок был первым в своем роде; таких мощных ядерных установок в нашей стране до того не запускали.
Поэтому стройка находилась под самым пристальным вниманием. В процессе выполнения работ площадку постоянно бомбардировали все возможные визитеры: партийные функционеры всех уровней, ученые, «замы» министра. Да и сам министр Ефим Славский то и дело наведывался, чтобы проверить, как идут дела.
Реактор типа РБМК-1000 часто называли «тысячником», так как он выдавал мощность 1000 мегаватт, но еще чаще звали «миллионником»: ведь тысяча мегаватт равна миллиону киловатт! Так что оба варианта равноправны: «тысячник», «миллионник» на деле означают одну и ту же мощность, выраженную в различных единицах. Кому как больше нравится.
Каждого более-менее высокого гостя надо было встретить, все рассказать и показать, накормить-напоить, развлечь, в конце концов. Но помимо гостей с лихвой хватало и других проблем – чисто технических. Эти проблемы были связаны с тем, что проект энергоблока был разработан в слишком короткие сроки и был отчасти «сырым», так что «досушивать» его приходилось непосредственно в процессе строительства.
Различные неприятные сюрпризы сыпались градом; поэтому можно считать большой удачей, что строительством и пуском Ленинградской АЭС заведовали люди, имеющие крепкое техническое образование, хорошие организаторские способности и большой опыт работы в ядерной сфере.
К спущенным сверху проектным документам первые руководители ЛАЭС относились критически: отыскивая слабые места, они их решительно «резали», перекраивали в соответствии со своими знаниями и опытом и, что немаловажно, не боялись отстаивать свою точку зрения перед высоким начальством.
Может, люди, о которых идет речь, и не являются звездами такой величины, как Курчатов, Славский, Александров, но они вполне заслужили право на то, чтобы их запомнили: директор ЛАЭС В.П. Муравьев, главный инженер А.П. Еперин, его заместитель по науке В.И. Рябов.
Если верить погодному архиву, сентябрь 1973 года в Ленинграде выдался довольно теплым. Но на берегу Финского залива в это время было не просто тепло, – было жарко сверх всякой меры: специалисты готовились к физическому пуску первого энергоблока Ленинградской АЭС.
Начальники и специалисты буквально дневали и ночевали на станции, градус эмоционального накала был невероятно высок: пожалуй, люди волновались ничуть не меньше, чем те, кто участвовал в пуске Первой АЭС в 1954 году. Вот что вспоминают очевидцы о запуске первого реактора Ленинградской атомной станции:
«…больше всего запомнилась необычайно волнующая обстановка физического пуска. Уникальность и ответственность момента, до предела взвинченные нервы. Смотрел на лица людей и на некоторых даже читал… страх. Но все это можно было понять! Страх, что вдруг пойдет не так, как намечено, не так, как должно быть.
Итак, 12 сентября 1973 года в активной зоне первого ядерного «тысячника» началась цепная реакция деления. А в декабре этого же года Государственная комиссия приняла объект в эксплуатацию, и ядерный энергоблок стал полноправным членом сети Ленэнерго.
Надо сказать, что с пуском РБМК хлопоты персонала не закончились. «Темная лошадка» оказалась с норовом: процесс в активной зоне с большим трудом удавалось удержать в узде. Еще многие месяцы после пуска РБМК-1000 никак не мог достичь проектной мощности – 1000 мегаватт.
Ну, то есть, достичь-то он мог, а вот устойчиво работать – нет. Реактор упорно стремился «разогнаться», выйти из-под контроля; операторы к концу смены буквально истекали пόтом – настолько трудно оказалось управлять новым ядерным котлом. Потребовалось немало усилий, чтобы убедить правительственные комиссии в необходимости технического усовершенствования проекта, и еще «энное» количество времени на реализацию требуемых изменений.
Происходившее во время и после стройки можно вкратце выразить словами одного из непосредственных участников событий:
«Реакторы, как дети, рождаются каждый по-своему. У них, как у людей, у каждого свой характер. Самым трудным для нас был реактор первого блока, – на то он и первый!» (из воспоминаний начальника научно-исследовательского отдела И.А. Варовина).
Бн: быстрые лучше «медленных»?
До сих пор речь шла об энергоблоках с тепловыми реакторами. Стоит напомнить, что слово «тепловой» обозначает не тот факт, что реактор вырабатывает тепло (этим занимаются абсолютно все реакторы), а то, что в его активной зоне «летают» тепловые нейтроны.
Ядерная энергетика во всем мире опирается на тепловые реакторы. Чуть ли не единственная страна, которая выбивается из общего «теплового» ряда – Россия: мощный ядерный энергоблок с быстрым реактором типа БН-600 уже более трех десятков лет благополучно работает в Свердловской области, на Белоярской АЭС, той самой, где в свое время были запущены предшественники РБМК – реакторы АМБ-100 и АМБ-200.
Может возникнуть каверзный вопрос: если у нас лишь один такой реактор, может быть, подобные аппараты вообще не имеют перспектив? Может, наши атомщики, говоря простым языком, решили поиграться, создав реактор, который особо никому не нужен? Ведь подобное уже бывало в истории науки и техники: делали что-то, громко трубили на всю страну об очередной победе инженерной мысли, а после этого… закрывали тему. Может, технология быстрых реакторов – явление из той же серии?
Чтобы прояснить ситуацию, нужно сделать небольшое лирическое отступление и раскрыть некоторые интересные особенности «быстрой» ядерной энергетики.
Для ясности: быстрые реакторы не потому быстрые, что они куда-то быстро едут: они, как и их тепловые коллеги, спокойно стоят в своих шахтах. Название обусловлено тем, что активная зона этих аппаратов наполнена быстрыми нейтронами. Термин говорит сам за себя: быстрые нейтроны движутся с очень высокой скоростью, порядка десятков тысяч километров в секунду.
«Быстрота» нейтронов внутри реактора сама по себе создает массу технических неудобств. Основная загвоздка состоит в невозможности использовать привычную воду в качестве теплоносителя, ведь вода одновременно является замедлителем нейтронов. А поскольку в данном случае требуется, чтобы нейтроны были быстрыми, то из реактора необходимо убрать все замедлители – и воду в том числе.
Итак, недостатки ясны, а где же достоинства? Основной плюс быстрых реакторов в том, что они позволяют… получить больше ядерного топлива, чем сжигают. Это заявление может показаться в некоторой степени фантастическим: разве такое возможно? Ведь это как если бы организм производил больше пищи, чем съедает.
Однако суть идеи довольно проста: в активную зону быстрого реактора вместе с ядерным топливом загружают сборки, содержащие обедненный уран, состоящий главным образом из изотопа урана-238. Ядра урана-238 захватывают быстрые нейтроны и превращаются в ядра более тяжелого изотопа – урана-239.
Как говорится, вот и весь фокус. Плутоний-239 тоже относится к делящимся изотопам; значит, он может участвовать в цепной ядерной реакции, давая огромную энергию. Уже сегодня плутоний-239 активно используется в ядерной энергетике за рубежом: его подмешивают к урану, а полученный «комбикорм» скармливают тепловым реакторам.
Ядерное топливо, содержащее одновременно изотопы урана-235 и плутония-239, называют МОХ-топливом (читается как «мокс»). Оно представляет собой смесь оксидов урана и плутония (UO2 PuO2). Стоит напомнить, что традиционное ядерное топливо – это «чистый» диоксид урана UO2.
Правда, надо отметить, что ученые-ядерщики не очень довольны плутонием, когда тот выступает в качестве ядерного горючего. Не залезая в дебри реакторной физики, можно сказать, что реакторы на тепловых нейтронах, составляющие основу мировой ядерной энергетики, хуже работают на смешанном уран-плутониевом топливе, чем на «стандартном» урановом горючем.
Глава 5 атомные станции
Итак, ясно, что предприятия атомной отрасли занимаются многими важными и нужными делами – фронт работ Росатома довольно широк. Но все же, что является самым главным? В самом начале, в сороковые годы XX века, наиболее важной представлялась задача создания собственных ядерных боеприпасов.
Проще говоря, нужно было напрячь все силы и сделать столько атомных бомб, сколько требовалось для устранения угрозы ядерного налета, с тем чтобы советские города не разделили участь Хиросимы и Нагасаки. И с этой задачей атомная отрасль СССР успешно справилась: можно констатировать, что на сегодняшний день мы имеем вполне надежный и высокотехнологичный ядерный «щит».
Но время шло, и приоритеты постепенно смещались. Нет, конечно же, сохранение и развитие ядерного военного сектора имеет большое значение и сейчас, однако сегодня основное внимание уделяется другому направлению – энергетическому. В современном мире первостепенной задачей, определяющей смысл существования атомной отрасли, является выработка электричества за счет энергии, выделяющейся при цепной реакции деления.
АЭС: так ли уж нужны?
Перед тем, как рассказывать о конструкции и принципе работы атомных электростанций, следует кое с чем разобраться. И для начала прояснить весьма неудобный для атомщиков вопрос: действительно ли нам нужны АЭС? Ведь раньше как-то обходились без «ядерного» электричества; а многие страны и до сих пор обходятся.
Плюс альтернативная энергетика – ветряная и солнечная, которая к сегодняшнему дню достигла достаточно высокого уровня. Поэтому могут возникнуть вполне обоснованные сомнения в необходимости развития именно ядерной энергетики, – особенно с учетом того, что серьезная авария на АЭС может привести к весьма печальным последствиям.
Ответ на поставленный вопрос прост в своей очевидности: разумеется, мы вполне могли бы обойтись без АЭС. В отличие от многих других стран, Россия обладает внушительными запасами угля и газа, неплохими гидроресурсами, хорошим потенциалом для развития ветроэнергетики.
Поэтому наша страна более чем способна обеспечить свои потребности в электроэнергии без использования атомных электростанций. И в АЭС, честно говоря, нет острой необходимости. Но это лишь на первый взгляд: стоит глубже вдуматься в проблему и для этого – сравнить атомные станции с другими типами электростанций.
Начнем с опасности для окружающей среды и человека. Спору нет, в случае острой аварийной ситуации техногенные радиоактивные вещества, заключенные в реакторе АЭС, могут нанести серьезный вред. Но при нормальной, безаварийной работе ядерный энергоблок является экологически безопасным источником электроэнергии.
В то же время тепловые электростанции, работающие на угле и природном газе, ежегодно потребляют огромное количество кислорода и выбрасывают в атмосферу десятки миллиардов (!) тонн углекислого газа и других вредных веществ. В этом отношении особенно «отличаются» угольные станции.
В процессе работы любых тепловых станций через дымовую трубу выбрасываются оксиды азота. Вступая в реакцию с водой, присутствующей в воздухе, эти оксиды превращаются в азотную и азотистую кислоты, которые выпадают на землю в виде кислотных дождей. А при сгорании угля дополнительно образуются токсичные оксиды серы, которые в атмосфере трансформируются в серную и сернистую кислоты.
Угольные электростанции дают наибольшее количество выбросов
Стоит упомянуть и о тяжелых металлах, которые тоже зачастую входят в состав ископаемого топлива, и, следовательно, вместе со всеми прочими загрязнителями «вылетают» в трубу.
Электростанции на природном газе (метане) не такие «грязные», как угольные, но и они неизбежно расходуют кислород и выбрасывают углекислый газ.
С этой точки зрения гидроэнергетика выглядит позитивнее: гидроэлектростанции не пыхтят зловонным дымом. Но означает ли это, что они безвредны для окружающей среды? Вовсе нет. При строительстве гидроэлектростанции реку перегораживают толстой железобетонной стеной – плотиной – для создания перепада высот.
Она препятствует свободной миграции рыб и, вообще, создает ряд экологических проблем для организмов, обитающих в воде и на берегу. Кроме того, установка плотины приводит к затоплению территории и образованию водохранилища. Водохранилище – искусственно созданное озеро, и если его площадь достаточно велика, оно способно изменить климат в регионе. Вывод: гидроэнергетика, как и тепловая энергетика, тоже не отнюдь не безвредна с экологической точки зрения.
Градирня: не хотите ли освежиться?
Что еще интересного есть на территории АЭС, кроме зданий ядерного и турбинного острова? На площадках многих атомных станций можно увидеть циклопические сооружения, напоминающие по форме башни со стенками, плавно расширяющимися к основанию. Эти башни по высоте значительно превышают сами энергоблоки; они доминируют над местностью, неизбежно притягивая взгляд еще на дальних подступах к АЭС. Их называют градирнями.
Зачастую над градирнями можно увидеть белый дымок. Ох, и досталось же «атомным» градирням от разного рода экологических организаций: «зеленые» упорно считали, что градирни выбрасывают в атмосферу радиоактивные вещества. Разумеется, подобное утверждение совершенно не соответствует истине. Чтобы это стало понятным, нужно разъяснить, как работает градирня.
В реальности, она является элементом системы охлаждения воды. Нужно вспомнить, что происходит с паром, который отходит с турбины. Он конденсируется, то есть превращается обратно в воду, которую после ряда операций направляют обратно в парогенератор. Для этого пар охлаждают водой из внешнего источника.
Естественно, при этом сама охлаждающая вода нагревается: пар через стенку отдает ей свое тепло. Куда деть эту воду? Существует два варианта. В первом воду сбрасывают туда же, откуда ее забрали – во внешний водоем. В частности, так поступают на Ленинградской АЭС, о которой уже шла речь; воду для охлаждения пара берут из Финского залива, а нагретую воду направляют обратно в залив.
Повышенная температура воды на выходе из конденсаторов может принести пользу: подогретые стоки создают благоприятные условия для разведения рыбы; по этой причине ряд российских АЭС соседствует с рыбными хозяйствами. Нужно отметить (хотя это и так очевидно): ни о какой «радиоактивной рыбе» в данном случае речи не идет – вода, отходящая от конденсаторов АЭС, не является источником радиации.
Если подогретая вода сбрасывается в залив или другой крупный водоем, это не наносит серьезного ущерба окружающей среде. Другое дело, если водный источник небольшой – тогда вредное воздействие может оказаться более значительным. Вот здесь-то на помощь приходят градирни: эти башни позволяют сбрасывать тепловую энергию не в воду, а в воздух, снижая нагрузку на водоемы.
Работает градирня следующим образом: подогретая вода, которая отходит от конденсаторов, подается в башню и падает вниз с определенной высоты.
Принцип работы градирни
При этом вода льется не сплошным потоком, а дробится на тонкие струйки, либо стекает по внутренним элементам в виде тонкой пленки. Снизу вверх навстречу воде по механизму естественной тяги движется поток воздуха: он охлаждает воду, которая все же успевает частично испариться.
А вода стекает вниз и попадает в чашу – большой резервуар, находящийся в основании сооружения. Теперь ее снова можно использовать для конденсации пара. Насосы качают эту охлажденную воду из чаши и опять направляют ее в конденсаторы турбины.
На предприятиях, где установлены градирни, бывали случаи, когда рабочий люд использовал эти конструкции в качестве… душевой, – особенно летом. Действительно, под водой, стекающей вниз в виде тонких струек, вполне можно освежиться в жаркую погоду.
А еще градирни можно использовать для творчества. Тем более, подобные примеры уже есть. Действительно, почему бы не изменить впечатление от унылых серых башен, изобразив на их поверхности что-нибудь художественное.
Справедливости ради следует отметить, что градирни на АЭС все же могут давать кое-какую нагрузку на окружающую среду. Это связано с тем, что в воду в ряде случаев добавляют ингибиторы (т.е. замедлители) коррозии, чтобы стальные конструкции внутри башен меньше ржавели.
Эти добавки частично выносятся из градирен в атмосферу вместе с мельчайшими частичками воды. Есть способ, позволяющий отказаться от ингибиторов – внутри градирни можно вместо стали использовать пластик. Но такие «пластиковые» градирни нехороши тем, что на них может возникнуть пожар. Пожар на градирне – зрелище поистине грандиозное и устрашающее.
Даже учитывая, что современные ядерные энергоблоки надежно защищены от пожара, легко согласиться, что угроза такого фейерверка рядом с работающим реактором, мягко говоря, напрягает. Поэтому решили выбрать меньшее из двух зол и остановились на традиционных градирнях со стальными конструкциями; они ржавеют, но хотя бы не горят.
Кроме того, на атомных станциях существует еще один вспомогательный элемент системы охлаждения. Речь идет о брызгальных (от слова «брызги») бассейнах. Выглядят они так.
Брызгальный бассейн на Смоленской АЭС
Некоторые думают, что эти забавные фонтанчики играют роль чисто декоративного элемента и предназначены лишь для украшения строгого пейзажа промышленной площадки. Но, в конце концов, атомная станция – это не Петергоф. Брызгальные бассейны так же, как и градирни, служат для отвода тепла.
Принцип работы
В активную зону реактора загружены тепловыделяющие сборки, состоящие из пучка циркониевых тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), заполненных таблетками двуокиси урана.
Тепловыделяющая сборка в натуральную величину
Ядра урана делятся с образованием нейтронов (2 или 3 нейтрона), которые, попадая в другие ядра, также могут вызывать их деление. Так возникает цепная ядерная реакция. При этом отношение числа образовавшихся нейтронов к числу нейтронов на предыдущем шаге деления называется коэффициентом размножения нейтронов k. Если k<
Реактор с загруженными тепловыделяющими сборками
В ходе протекания цепной реакции выделяется большое количество энергии в виде тепла, которое нагревает теплоноситель первого контура — воду, которая подается снизу в активную зону реактора с помощью главных циркуляционных насосов (ГЦН). Нагреваясь до температуры 322 °С вода поступает в парогенератор (теплообменник), где, пройдя по тысячам теплообменных трубок и отдав часть тепла воде второго контура, вновь поступает в активную зону.
Так как давление второго контура ниже, вода в парогенераторе вскипает, образуя пар с температурой 274°С, который поступает на турбину. Поступая в цилиндр высокого давления, а затем в три цилиндра низкого давления, пар раскручивает турбину, которая, в свою очередь, вращает генератор, вырабатывая электричество.
Турбинное отделение и сама турбина
Такая сложная двухконтурная система создана для того, чтобы оградить оборудование (турбина, конденсатор), а также окружающую среду от попадания радиоактивных частиц из первого контура, появление которых возможно из-за коррозии оборудования, наведенной радиоактивности, а также разгерметизации оболочек ТВЭЛов.
Брызгальный бассейн охлаждения резервных дизельных генераторов и систем безопасности
Управление блоками осуществляется из блочного щита управления, который обычно завораживает простого обывателя обилием «огоньков, крутилок и кнопочек».
Расположен он в реакторном отделении, но в «чистой зоне» и на нем постоянно находятся: ведущий инженер по управлению реактором, ведущий инженер по управлению турбинами, ведущий инженер по управлению блоком и начальник смены блока.
Вокруг атомной станции организуется зона наблюдения (та самая тридцатикилометровая зона), в которой ведется постоянный мониторинг радиационной обстановки. Также существует санитарно-защитная зона радиусом 3 км (зависит от проектной мощности АЭС), в которой запрещено проживание людей, а также ограничена сельскохозяйственная деятельность.
Внутренняя территория АЭС разделена на две зоны: зона свободного доступа (чистая зона), где воздействие радиационных факторов на персонал практически исключено, и зону контролируемого доступа (ЗКД), где возможно воздействие радиации на персонал.
Доступ в ЗКД разрешен далеко не всем и возможен только через помещение санпропускника, после процедуры переодевания в спец. одежду и получения индивидуального дозиметра. Доступ в гермооболочку, в которой расположены сам реактор и оборудование первого контура, при работе реактора на мощности вообще запрещен и возможен лишь в исключительных случаях.
Дозиметрический контроль на выходе из ЗКД
Токамак размера xxxl
Несмотря на то, что ИТЭР строится на юге Франции, ноги проекта растут из России. Ведь токамак – достижение отечественных ученых: первый в мире аппарат такого рода был запущен в 1955 году в Москве на территории Курчатовского института. А ведь чем является ИТЭР?
Тоже токамаком, только колоссальных размеров: высота реактора составит 73 метра, что сопоставимо с высотой Спасской башни Московского Кремля. Масштабы ИТЭР-овского «бублика», то есть вакуумной камеры, тоже впечатляют: ее внешний диаметр превышает 19 метров, внутренний («дырка от бублика»)
Реактор и сопутствующее ему «хозяйство» – а это несколько десятков зданий и сооружений – займут участок в 42 гектара (60 футбольных полей).
По технической сложности проект ИТЭР сопоставим с Большим Адронным Коллайдером, а по стоимости даже превышает его раза в полтора. Что поделать, наука требует жертв, в том числе, – материальных.
После необходимой преамбулы можно попробовать разобраться, что собой представляет термоядерный реактор.
ИТЭР: 3D-модель
На рисунке приведена его 3D-модель. Главная часть – кольцевая вакуумная камера («бублик»), в которой будет протекать реакция термоядерного синтеза.
ИТЭР: вакуумная камера
Как видно, «бублик» по форме не круглый: его сечение напоминает букву «D». В середине расположен центральный соленоид.
ИТЭР: центральный соленоид
Он состоит из шести катушек, каждая из которых похожа на стопку блинов; функция соленоида – возбуждать индукционный ток в плазме.
Снаружи вакуумной камеры расположены катушки, создающие вокруг замкнутого в круг плазменного шнура тороидальное (кольцевое) магнитное поле.
ИТЭР: катушки тороидального магнитного поля
Каждая из катушек имеет высоту – 15 метров, ширину – 9 метров.
Чтобы намотать катушки тороидального поля, потребуется 80 тысяч километров сверхпроводящих нитей. Их можно дважды (!) обмотать вокруг земного экватора.
За катушками тороидального магнитного поля расположены шесть катушек другого рода, – те, которые создают полоидальное магнитное поле. Это поле обхватит, сожмет плазму и не позволит ей соприкоснуться со стенками камеры; в противном случае, стенки не выдержали бы и постепенно испарились.
ИТЭР: катушки полоидального магнитного поля
Самой большой деталью реактора является криостат – оболочка из нержавеющей стали высотой 29 метров и почти такого же диаметра.
ИТЭР: криостат
Все остальные элементы – кольцевая камера, соленоид, катушки – расположены внутри криостата. С одной стороны, криостат играет роль защитной оболочки. Но его главное назначение – охлаждать обмотки катушек, чтобы удерживать металл в состоянии сверхпроводимости. К слову, охлаждающими агентами будут жидкие газы – гелий и азот.
Важной частью является элемент, размещенный внизу вакуумной камеры. Это так называемый дивертор.
ИТЭР: дивертор
Функция этой детали – извлекать из плазмы гелий, являющийся «побочным продуктом» термоядерного синтеза. Вдобавок дивертор улавливает пыль, которая образуется при испарении стенок и способна помешать ядерной реакции; за это его еще называют «пепельницей».
Существуют различные виды термоядерных превращений. На Солнце, к примеру, энергия выделяется в результате слияния двух протонов – ядер атомов водорода. Но ИТЭР изначально «заточен» под работу с двумя «старшими» изотопами водорода – дейтерием и тритием. Чтобы началась ядерная реакция слияния, плазму требуется нагреть до фантастических 100 миллионов градусов.
Даже 100 миллионов градусов, нужных для синтеза дейтерия и трития, для ИТЭРа не предел – температура внутри «бублика» может достигать 150 миллионов градусов.
Отдельный вопрос заключается в том, откуда брать топливо для термоядерного реактора? Ну, с дейтерием все более-менее просто – он содержится в воде, и технология его извлечения из воды давно отработана. С тритием дело обстоит сложнее. Его можно получить только искусственно, в процессе ядерной реакции: берут стабильный изотоп лития-6, облучают нейтронами, и он при этом распадается на гелий и искомый тритий.
Сейчас тритий стоит намного дороже золота – мировые запасы этого изотопа составляют всего 20 килограммов, но предполагается, что полноценно работающий термоядерный реактор сможет нарабатывать достаточно трития, чтобы «прокормить» самого себя. Однако это, опять же, – дело будущего.
В перспективе термоядерные реакторы должны стать более экологически чистыми и безопасными источниками энергии по сравнению с ныне работающими АЭС. Во-первых, «термояд» дает гораздо меньше радиоактивных отходов по сравнению с цепной реакцией деления. Во-вторых, отсутствует опасность того, что процесс выйдет из-под контроля и реактор «бахнет»: в случае малейшей неполадки плазма моментально потухнет, и ядерная реакция прекратится.
Еще один дополнительный бонус: в плазме токамака не образуются делящиеся изотопы, которые можно было бы использовать в атомной бомбе. Таким образом, строительство термоядерных энергоблоков в перспективе позволило бы, по крайней мере, отчасти, решить проблему распространения ядерного оружия.
Уран-графитовые «котлы»: затухающая реакция
Уран-графитовые реакторы обладают рядом весомых достоинств; кроме того, крупных ядерных котлов такого типа не строили ни в одной другой стране, кроме СССР, – это наше ноу-хау. Тем не менее, на дальнейшем развитии данной технологии поставлен жирный крест. И на вопрос «почему?» многие, наверное, знают ответ. А для тех, кто не в курсе, достаточно будет одного слова – Чернобыль.
Да, именно РБМК-1000 был установлен на четвертом блоке Чернобыльской АЭС, и трагедия, случившаяся в 1986 году, определила его дальнейшую судьбу. Рассказывая об успехах отечественной атомной промышленности, нельзя делать вид, будто аварии на Чернобыльской АЭС не было.
А пока стоит задать вопрос, отчасти философский, отчасти технический: следовало ли из-за аварии на ЧАЭС полностью «хоронить» технологию уран-графитовых реакторов? В конце концов, те РБМК-1000, которые эксплуатировались на наших АЭС, не были остановлены в связи с аварией.
Они продолжали работать; мало того, они и по сей день работают, обеспечивая регионы электроэнергией. А ведь многие из них старше «рванувшего» на четвертом блоке реактора, – этот реактор был запущен в 1983 году, и системы обеспечения безопасности, заложенные в проект, были более современными и продвинутыми по сравнению с первой очередью той же Ленинградской АЭС. Что же получается: жители современных городов – Петербурга, Курска, Смоленска – сидят на пороховых бочках?
Разумеется, это не так. Безусловно, в аварию на Чернобыльской АЭС внесли вклад определенные особенности конструкции РБМК. Но ведь эти особенности сами по себе не являются непреодолимым препятствием. Технические недочеты можно изучить и устранить. Собственно говоря, эта работа и была проделана после аварии: можно сказать, что РБМК, реактор «чернобыльского» типа, был исследован вдоль и поперек.
Пожалуй, ни один другой ядерный реактор не подвергался столь тщательной вивисекции. В процессе изучения причин аварии был накоплен огромный объем ценной информации. Значительная часть этой информации была использована – в первую очередь, для выполнения масштабных работ по повышению уровня безопасности всех ныне работающих блоках с РБМК.
Но конструкторская мысль не остановилась на РБМК. Вероятно, большинству неизвестен факт разработки энергоблоков с уран-графитовыми реакторами нового поколения «МКЭР» – многопетлевыми кипящими энергетическими реакторами. Всего было придумано три варианта:
МКЭР-800, МКЭР-1000 и МКЭР-1500. Новые реакторы похожи и не похожи на предшественника. В частности, их ядерно-физические характеристики таковы, что полностью исключают повторение ситуации с 4-м блоком Чернобыльской АЭС. Установка с МКЭР обладает полным комплектом систем безопасности, которые требуются современным АЭС. К примеру, новый реактор, в отличие от РБМК, заключен в куполообразную защитную оболочку – контайнмент.
Можно задать себе вопрос: имея на руках опыт чернобыльской трагедии, разве стали бы конструкторы «продавать» заведомо опасный проект очередной мины замедленного действия? Едва ли: в атомных проектных организациях, к счастью, работают умные люди. В новый проект МКЭР были вложены все знания, весь опыт, полученный на установках с РБМК.
И все же данная идея легла под сукно. С политической точки зрения это, может, и верно: атомная отрасль вроде как открестилась от «опасных» уран-графитовых котлов и нацелилась на светлое будущее с реакторами другого типа с чистой репутацией. Если же рассуждать технически, то установки с МКЭР могли бы, пожалуй, составить достойную конкуренцию ныне строящимся блокам.
Отдав должное РБМК, нельзя не упомянуть об их меньших братьях. В начале главы вскользь упоминалось, что все ныне работающие ядерные энергоблоки России относятся к одному из трех основных «сословий» – за одним маленьким исключением. Этим исключением является Билибинская АЭС – самая северная в мире. Она работает на Чукотке, что и определило некоторые особенности предприятия.
Зимой температура на улице опускается до –60 оС, а полгода приходится на полярную ночь. Билибинская АЭС была построена, чтобы обеспечить теплом и электричеством предприятия, занимающиеся добычей золота. Строить в тех краях крупный энергоблок вроде «тысячника» РБМК не имело смысл: слишком дорого, да и в таком большом объеме электроэнергии регион не нуждался.
Поэтому на Билибинской АЭС был реализован проект с крошечными, в сравнении с РБМК-1000, реакторами: общая мощность четырех реакторов ЭГП-6 составляет всего-навсего 48 мегаватт. Кстати, ЭГП, как и РБМК, являются уран-графитовыми канальными реакторами – поэтому упоминание о них здесь очень к месту.
Чайник кипит, пар идет
Итак, в реакторе вода нагревается, кипит и превращается в пар. Но – не полностью. Поэтому из реактора выходит не пар (как из носика чайника), а смесь пара и воды.
И эта смесь дальше направляется в специальный аппарат – барабан-сепаратор. Конечно, с обычным музыкальным инструментом барабан-сепаратор имеет мало общего. В данном случае барабан – это емкость, которая выглядит как длинная стальная «колбаса» длиной 30 метров, примерно на две трети заполненная водой. Смесь пара и воды входит в нижнюю часть барабана-сепаратора.
Пароводяная смесь разделяется на воду и пар в барабане-сепараторе
Интересно, но вода, находящаяся в нижней части барабана, забирает из пароводяной смеси жидкую воду; пар же, оставшись в одиночестве, вырывается из верхней части этой «колбасы» и направляется дальше – к паровой турбине. Основное назначение барабана-сепаратора – разделить пар и воду; отсюда и его название.
Воду можно пока оставить в покое, а заняться паром, который рвется к турбине. Вообще, паровая турбина – это аппарат, который используют для превращения энергии пара в механическую работу. Турбина состоит из нескольких модулей, насаженных на один общий вал, как куски мяса на шампур.
Вариант конструкции цилиндра турбины: «бабочка»
Есть и другой вариант конструкции цилиндра турбины, похожий на «рупор»: пар входит в узкую часть и выходит из широкой.
Вариант конструкции цилиндра турбины: «рупор»
Вообще, «бабочка» получается как раз из двух «рупоров», соединенных узкими концами.
У каждого цилиндра есть оболочка – кожух, без которого пар просто «усвистит» в воздух: внутри этой оболочки располагаются лопатки, насаженные на вал.
Пар врывается внутрь кожуха через сопла и, расширяясь, приводит в движение лопатки турбины. Лопатки начинают вращаться и вращают вал, на котором они закреплены: таким образом энергия пара превращается в энергию вращения вала.
Пар, попадая внутрь цилиндра турбины, приводит в движение лопатки.
Может возникнуть вопрос: зачем нужно разделять пароводяную смесь на пар и воду? Разве нельзя направить на турбину эту смесь, как говорится, «прямо так»? А вот и нельзя: если пар содержит слишком много воды, то мелкие капельки жидкости, разогнанные до сверхзвуковых скоростей, просто изрешетят цилиндры турбины – настолько большой кинетической энергией они обладают; поэтому пар должен быть сухим.
Итак, пар заставляет вращаться вал турбины. Однако энергия вращения вала – это еще не электроэнергия. Чтобы получить электричество, к концу вала подсоединяют «прицеп» – ротор электрогенератора.
Превращение энергии пара в электроэнергию
Ротор – это движущаяся часть, которая вращается вместе с валом турбины. При этом ротор заключен внутри неподвижной части – статора электрогенератора. И когда ротор вращается, в обмотках статора возникает столь необходимый населению и промышленности электрический ток.
Стоит еще раз пройтись по этой цепочке: пар бьет по лопаткам турбины → вал турбины вращается → ротор электрогенератора вращается вместе с валом → в статоре зарождается электрический ток.
