Miran Atom: Nuklearna energija

Put od prvog nuklearnog kotla do nuklearne elektrane bio je gotovo četiri puta duži od puta do atomske bombe

Časnik sigurnosti Dan Phillips stražari u nuklearnoj elektrani Diablo Canyon

Upravljačka ploča nuklearne energije

Kakva je struktura nuklearnog reaktora AM (Atom Mirny)

Pola stoljeća nakon rođenja nuklearna energija ima značajan udio u globalnoj proizvodnji električne energije.

Ponovno pokretanje: tehničari nadziru gašenje reaktora. Nakon otvaranja poklopca, novo gorivo će se staviti u reaktor

"Još uvijek sam zadivljen kad pogledam nuklearni reaktor." Niels Bohr (Moskva, 1961.)

Ogromna energija skrivena je u najmanjim česticama materije - jezgrama atoma. Prosudite sami. U nuklearnom reaktoru koji opskrbljuje električnom energijom za cjelodnevno osvjetljenje žarulja od 10 milijuna stotina vata, samo 1 kilogram nekoliko desetaka tona nuklearnog goriva nestane u godini rada. Činilo bi se da je to energetsko obilje. U kolovozu 1945. američki novinar John O'Neill, nadahnut snagom atomske bombe, napisao je u jednom svom članku: "Proizvodnja atomske energije nesumnjivo će biti izuzetno jeftina ... Nuklearne elektrane će se pojaviti u našim automobilima s vremenom ... i nećemo trebati dopuniti gorivo s gorivom ... U relativno kratkom vremenu moći ćemo zaustaviti kopanje ugljena. "

Međutim, vrijeme je pokazalo da je američki novinar bio previše optimističan. Bilo je potrebno desetljećima rada, najboljih znanstvenih umova i sofisticiranih inženjerskih rješenja da biste odgrizli mali komad ovog ogromnog prirodnog kolača. Tek devet godina kasnije, prvi je reaktor sa simboličnim nazivom "Miran Atom" spojen na mirnu mrežu.

To se dogodilo u blizini Moskve, u malom selu Obninsk na rijeci Protvi, i od tada se 27. lipnja 1954. smatra rođendanom nuklearne energije.

Kako slonovi spavaju?

Prozor u atomsko doba

Direktan put ka ovladavanju atomskom energijom naznačio je jedno važno otkriće njemačkih fizičara 1939. O. Hahn i F. Strassmann. Otkrili su cijepanje jezgara urana pod utjecajem neutrona. Nije prošlo ni mjesec dana nakon što su ove zapanjujuće vijesti stigle do svih vodećih fizičkih laboratorija, a na konferenciji u Washingtonu znanstvenici su u šali i napola ozbiljno razgovarali o oslobađanju nuklearne energije (vidi bočnu traku o lančanoj reakciji nuklearne fisije). Ali prvo je trebalo odgovoriti na temeljno pitanje: koliko novih neutrona se stvori u svakom događaju fisije? Jesu li dovoljne za lančanu reakciju? Započeli su mukotrpni eksperimenti, i kao rezultat toga, potvrđena su nagađanja: otkriveno je da se nakon fisije jednog uranijumskog jezgra u prosjeku ispušta nekoliko neutrona - nešto reda jednog, dva ili tri. Dakle, pronađeni su preduvjeti za lančanu reakciju. Nadalje se pokazalo da glavna komponenta prirodnog urana - uran-238 - apsorbira neutrone u većoj mjeri nego što ih dijeli. A glavna djeljiva komponenta - uran-235 - samo je 0, 7% u prirodnoj mješavini izotopa. Iako se tijekom fisije urana-235 formira dovoljno neutrona, većina njih uzalud nestaje, sudarajući se s brojnim jezgrama glavnog izotopa. Kako se nositi s tim problemom? Prvi očigledan način je obogaćivanje uranove rude i odvajanje čistog izotopa urana-235. Ali u to je vrijeme razdvajanje izotopa urana na industrijskoj razini bilo previše naporno, ili, jednostavnije rečeno, gotovo beznadno. Štoviše, tada nitko nije znao sa sigurnošću i nije mogao izračunati koliko kilograma ili desetke (ili možda stotine) kilograma ovog proizvoda će trebati za pokretanje lančane reakcije.

Drugi način uključivao je upotrebu prirodne smjese izotopa urana i oslanjao se na rezultate eksperimenata koji su pokazali da polako leteći (tzv. Termički) neutroni efikasnije dijele jezgre urana-235 i znatno manje apsorbiraju jezgre urana-238. Stoga je usporavanjem neutrona moguće smanjiti lažnu apsorpciju i povećati vjerojatnost fisije. Poznati su i moderatori: lagane tvari poput vode, ugljika ili berilija.

Prvi atomski "kotao"

Budući da su neutroni glavni sudionici lančane reakcije, nije iznenađujuće da je eksperimente na konstrukciji prvog atomskog "kotla" vodio tadašnji glavni stručnjak za neutrone i dobitnik Nobelove nagrade Enrico Fermi, koji je emigrirao iz nacističke Italije i radio na Sveučilištu Columbia. Ovdje su 1941. počeli graditi probnu instalaciju. Kao moderator izabrali smo jednostavan i dostupan u velikim količinama materijal - ugljik u obliku grafita. Kao što se Fermi prisjetio, fizičari prekriveni crnom prašinom grafita i uranijum-oksida vukli su više kilogramske blokove i, sažalivši se nad njima, dekan je omogućio da se studenti angažuju za ovaj posao. Stvari su postale zabavnije - mnogo su se lakše mogle nositi s pakovanjima praha urana težine 20-40 kg. Ali kada je rešetkasta struktura limenki s uranijum-oksidom i oko 30 tona grafita napokon bila spremna, rezultati mjerenja su obeshrabreni - neutroni nisu bili dovoljni za lančanu reakciju. Sažela je kvaliteta materijala. Tamo gdje se računa svaki neutron, svaka nečistoća koja apsorbira neutrone sve napore svodi na ništa.

1942. tim fizičara pod vodstvom Fermija preselio se u Chicago, u Metalurški laboratorij, gdje su bile koncentrirane sve glavne znanstvene snage za proučavanje lančanih reakcija. Eksperimenti su se nastavili. Industrija pod pritiskom vojske postupno je poboljšavala kvalitetu isporučenog grafita i obogaćenog urana, a na kraju je, sudeći po eksperimentalnim podacima, postalo dovoljno za provođenje lančane reakcije.

Budući da do listopada 1942. parcela, kupljena za laboratorij u šumi Argonne, još uvijek nije bila spremna, odlučili su sagraditi “kotao” upravo u centru velikog grada - na terenima za squash u sportskom kampusu University of Chicago. Radili su svakodnevno, u dvije smjene, postavljajući slojeve grafita i urana, pri čemu je gorivo najkvalitetnije bilo što bliže središtu. Nakon polaganja svakog sloja, vršena su mjerenja, Fermi je vršio proračune i dao upute za sljedeći sloj. Za manje od mjesec dana sastavili su elipsoidnu strukturu veličine oko 3x4 metra od 385 tona grafita i 46 tona urana. U njemu su napravljeni otvori za drvene šipke obložene kadmijevim kositrom (kadmij snažno apsorbira neutrone i može zaustaviti lančanu reakciju). Šipke su uklonjene samo tijekom trajanja mjerenja, a zatim su ih uvele u bojler i zaključale lokotom, čiji su ključevi bili dostupni samo nadzornicima smjene.

Odlučujući trenutak došao je 2. prosinca 1942. godine. Prema proračunima, prikupljeno je dovoljno slojeva za pokretanje samoodržive lančane reakcije. Na testu je sudjelovalo oko 40 ljudi. To su bili uglavnom fizičari koji su okupljali instalaciju. Za svaki slučaj, u dizajnu su predviđene šipke za hitne slučajeve - dovoljno je bilo samo presjeći konop i oni su pali u bojler, a nekoliko volontera stajalo je gore s kantama otopine soli kadmijuma, spremno da ga po potrebi ulije u strukturu. Uklonjeni su svi kadmijski zavoji, osim jednog, a zatim su ga postupno počeli gurati. Nakon svakog koraka izmjeren je broj neutrona, a Fermi je izračunao prema dijapozitivu. U 2.20 sati ujutro, kada je izvađeno 2, 5 metra pruge, intenzitet je počeo rasti sve brže i brže, sve dok nije postalo jasno da može postati beskonačno velik. Potom su kadmijske šipke vraćene na svoje mjesto. Prvo ispitivanje trajalo je 28 minuta, a kotao se održavao na jačini ne većoj od pola vate, kako bi se smanjila izloženost radijaciji, jer nije pružena zaštita. Nakon što su zaustavili bojler, popili su bocu Chiantija, a uspješan ishod testova skromno je zabilježen u Fermijevoj kući (iako njegova supruga nije ostala svjesna razloga trijumfa). A na sportskim terenima sveučilišta, gdje je osoba prvi put uspjela izvršiti kontroliranu lančanu reakciju, sada stoji brončani spomenik.

Limunsko-keramički kalup

Put od prvog nuklearnog kotla do nuklearne elektrane bio je gotovo četiri puta duži od puta do atomske bombe. Reaktori za proizvodnju plutonija-239 (koji nastaje apsorpcijom neutrona uranom-238) bili su prvi industrijski pogoni s kontroliranom lančanom reakcijom fisije. Nakon toga, bio je red na male elektrane za podmornice, a 1951. na američkoj eksperimentalnoj stanici u Idahu čak su uspjeli nabaviti malo električne energije - bilo je dovoljno da zapale četiri cijele svjetiljke.

Problem je bio u tome što su za funkcioniranje elektrane sa punim brojem snage, usporedive snage sa termalnim stanicama, potrebni potpuno različiti modusi temperature i snage. Da biste četiri žarulje pretvorili u milijune, nije vam potrebna samo drugačija količina - drugačija kvaliteta. Potrebno je organizirati prijenos topline pri visokim protocima topline i visokim pritiscima - ta su pitanja slabo proučena. Gorivne ćelije u jezgri moraju raditi na visokim temperaturama bez uništavanja, a konstrukcijski materijali moraju podnijeti ogromna zračenja. Ipak, 1950. godine u SSSR-u je odlučeno izgraditi eksperimentalnu reaktorsku instalaciju - AM jedinicu (Atom Mirny). Sve se držalo u tajnosti, a u dokumentima tih godina mogu se pronaći zabavne šifrirane oznake: uran je nazvan "aktivni polimer", neutroni su nazvani "nulte točke", a urano-grafitni reaktor nazvani "kositrameramički kristalizator".

Predloženo je nekoliko opcija dizajna, ali konačni projekt, odobren od strane akademika I.V. Kurchatov i N.A. Bilo je ovako: izgraditi urano-grafitni reaktor s cjevastim gorivnim elementima, gdje se voda koja se ne ključa pod pritiskom od 100 atmosfera koristi kao nosač topline. Projektna snaga reaktora je 30 MW, ali ne iz teorijskih razloga, već zbog vrlo specifičnih okolnosti. U to se vrijeme, u uvjetima općeg poslijeratnog deficita i pustošenja, čak i na tako prioritetnim područjima, često moralo zadovoljiti raspoloživim resursima. I u potrazi za turbinskom jedinicom u Moskvi, naišli smo na staru, otpuštenu turbinu male snage - oko 6 MW, koja je bila sasvim pogodna za eksperimentalnu nuklearnu elektranu. Karakteristike ove turbine u konačnici su odredile kapacitet nuklearne instalacije Prve NE.

Cijeli proces izgradnje nuklearne elektrane, počevši od rujna 1951., bio je niz eksperimenata i ispitivanja. Analizirajući potencijalne hitne situacije, došli smo do zaključka da je s određenim parametrima reaktora najopasnije punjenje zidane vode vodom, na primjer, kad je probijen kanal za hlađenje. Tada se koeficijent umnožavanja neutrona povećava, a snaga se počinje povećavati. A kada se opskrba vodom isključi, naprotiv, lančana reakcija potpuno prestaje. Nakon toga, ispostavilo se da je ove proračune provjerila i sama priroda: nakon 20 godina, otkriven je prirodni nuklearni reaktor u Gabonu koji je djelovao po takvom principu "vode".

Nekoliko laboratorija razvijalo je gorivne elemente - gorivne elemente. Sadrže nuklearno gorivo i nalaze se u najagresivnijoj zoni reaktora. Prvo su gorivne šipke izrađene u obliku čeličnih cijevi na koje su montirane rukavice urana. Temperaturna ispitivanja pokazala su da su ove cijevi bezvrijedne - vrijeme njihovog rada u radnom toplinskom toku proračunato je u samo nekoliko sati. Kad je čisti uranij zamijenjen legurom 9% molibdena, stvari su išle nabolje: vijek trajanja povećao se na nekoliko stotina sati. No, najuspješnije rješenje bilo je raspršivanje legure uranijuma i molibdena u magnezijevoj matrici. Tijekom testiranja ovaj se dizajn suočio sa toplinskim tokovima koje sama instalacija nije mogla izdržati.

Početkom svibnja 1954. počeli su puniti jezgru gorivom. Prvi kompletni skup nuklearnog goriva sadržavao je 546 kg urana sa 5% obogaćivanja uranom-235. Ispitivanja su trajala mjesec i pol, a 26. lipnja 1954. u 1745 sati turbina je dostavljala paru, a prva nuklearna elektrana na svijetu dobila je industrijski teret s električnom snagom od 1, 5 MW. A sutradan je TASS izvijestio o tom događaju. No, prije nego što su dostigli konstrukcijsko opterećenje od 5 MW, graditelji postrojenja i zaposlenici morali su nekoliko mjeseci otkloniti razne neočekivane probleme i opasne situacije, na primjer, pojavu kisika u zidu reaktora. No postupno se rad počeo poboljšavati i Prva NE je zadržala svoj eksperimentalni karakter za svih 48 godina rada: poseban kanal pružen je u središtu njegove jezgre za fizičke eksperimente.

U tužnoj ironiji sudbine u jesen 1954., kada je prva mirna nuklearna elektrana dostigla svoj projektni kapacitet, umro je veliki fizičar Enrico Fermi, koji je prvi put uspio suzbiti lančanu reakciju. A 29. travnja 2002. reaktor Prve NEK trajno je ugašen.

Pedeset do pedeset

Sada, pola stoljeća nakon rođenja, nuklearna energija ima značajan udio u globalnoj proizvodnji električne energije. Većina reaktora snage provodi se na termičkim neutronima s uranijumskim gorivom, kao što je to slučaj s Prvom NEK-om. Imaju aktivnu zonu, šipke za gorivo, moderator, rashladno sredstvo. Ali tu se sličnost završava. Različite vrste reaktora koriste različite moderatore, različite metode uklanjanja topline, različite izvedbe gorivnih elemenata, različite stupnjeve obogaćivanja urana. Na primjer, kanadski CANDU reaktori obično imaju dovoljno neobogaćenog goriva - mogu raditi na prirodnoj mješavini izotopa urana.

Brzi reaktori smatraju se još obećavajućim. Oni rade bez moderatora, ali zahtijevaju malo drugačije gorivo - proizvedeno u konvencionalnim (termičkim) plutonijevim reaktorima. Njihova glavna prednost s gledišta energije je mogućnost da u procesu rada ne samo proizvode električnu energiju, već i odlažu uranij-238 koji nije pogodan kao nuklearno gorivo za proizvodnju novih porcija plutonija. U stvari, moguće je organizirati tzv. "Zatvoreni gorivni ciklus". Međutim, iako je prirodni uran relativno jeftin i pristupačan, ove tehnologije privlače malo ulagača, a s rijetkim iznimkama, brzi neutronski reaktori samo su uzgajivači reaktora za proizvodnju plutonija i potencijalnih spalionica nuklearnog otpada.

Čovjek koristi energiju atomskog jezgra već 50 godina. To je još puno složenije od peći u peći s ugljenom ili paljenja benzina u motoru s unutarnjim izgaranjem. Punjenje nuklearnih elektrana izrađeno je od istog materijala kao i atomska bomba, a svih ovih godina nismo ostali intuitivni osjećaj tjeskobe i nepovjerenja. Možda za stotinu godina, kad konvencionalni izvori energije prestanu, a za njih ne postoji obnovljiva zamjena, čovječanstvo neće imati drugog izbora osim nuklearne energije. Budući da je realist, generalni direktor IAEA-e Mohammed ElBaradei, govoreći na konferenciji u Moskvi u lipnju 2004., oprezno je rekao ovo: "... sada kad nuklearna energija slavi 50. obljetnicu, svoju budućnost - iako može postati obećavajuća. "Još uvijek ostaje neizvjestan."

Članak je objavljen u časopisu Popular Mechanics (br. 4, travanj 2005). Sviđa li vam se članak?

Najzanimljivije vijesti iz svijeta znanosti: svježa otkrića, fotografije i nevjerojatne činjenice u vašem mailu. U redu Slažem se s pravilima web stranice Hvala. Poslali smo potvrdu na vašu e-poštu.

Preporučeno

Zemlji elektromagnetizam štiti žive stanice
2019
11 najsmješnijih i najsmješnijih teorija zavjere: gmazov svijet
2019
Kakvi će biti automobili 2020. godine?
2020