7022

20

нейтрона Резерфорд высказал предположение о существовании нейтральной частицы – нейтрона, и в 1932 г. оно подтвердилось.

В Кавендишской лаборатории Резерфорда работали и стажировались мо-

лодые ученые из разных стран и в том числе и русские ученые П. Л. Капица, К.

И. Синельников, А. И. Лейпунский, Ю. Б. Харитон.

Итак, 1932 год стал годом великих открытий в ядерной физике. В этом году возникла физика нового типа, имеющая дело со строением атомов и ис-

следующая неизвестные до того времени силы и взаимодействия частиц в ядре атома. Три открытия 1932 г. считаются особенно важными для дальнейшего развития атомной и ядерной физики.

1)Открытие нейтрона.

2)Обнаружение позитрона К. Андерсоном в космических лучах. Это бы-

ла первая открытая учеными античастица.

2) Открытие американским химиком Г. Юри вместе с Ф. Брикведце и Г. Мерфи дейтерия – тяжелого водорода, стабильного изотопа водорода с мас-

совым числом 2. При создании первой американской бомбы Юри руководил производством тяжелой воды (с дейтерием) и участвовал в работах по разделе-

нию изотопов урана.

Хотя мы и называем 1932 год годом великих открытий, но роль этих за-

мечательных открытий в развитии науки была определена гораздо позднее. То-

гда за ними лишь следовали события, которые служили как бы продолжением этих открытий.

Первым наиболее выдающимся открытием, совершенным после того, как Чедвик доказал существование нейтрона, было открытие Ирен и Фредериком Жолио-Кюри в 1934 г. искусственной радиоактивности. В этом могли видеть не-

которую закономерность. Ведь Жолио-Кюри сделали важный шаг к открытию нейтрона, и естественно, что они продолжали опыты по исследованию нейтрона.

Для этого у них в лаборатории било все приспособлено. Они имели источники альфа-излучения и опыт работы в молодой тогда области физики элементарных частиц. Их работы показали, что при облучении альфа-частицами легких эле-

21

ментов некоторые из них испускали нейтронами и позитроны.

И. Жолио и Ф. Кюри предположили, что натолкнулись на какое-то со-

вершенно новое явление, нигде ранее не упоминавшееся, а именно – позитрон-

ное излучение. В своих опытах они бомбардировали алюминий альфа-

частицами большой скорости, а затем постепенно удаляли источник альфа-

частиц, но алюминиевый листок продолжал излучать положительные электро-

ны, т. е. позитроны, в течение достаточно продолжительного времени. Так была открыта искусственная радиоактивность (термин родился в Париже, где почти за 40 лет до этого появился термин «радиоактивность»).

Искусственную радиоактивность открыли в 1933 г., а в 1935 г. Ф. Кюри в своем Нобелевском докладе сказал: «Мы видим, что несколько сотен различ-

ного рода атомов, составляющих нашу планету, не являются раз и навсегда со-

зданными и существуют не вечно. Мы воспринимаем это именно так потому,

что некоторые существуют еще и сейчас. Другие же, менее устойчивые атомы уже исчезли. Из этих последних некоторые, вероятно, будут вновь получены в лабораториях. До настоящего времени удалось получить лишь элементы с не-

большой продолжительностью жизни – от доли секунды до нескольких меся-

цев. Чтобы получить достойные упоминания количества элементов со значи-

тельно большей продолжительностью жизни, необходимо располагать очень мощным источником излучений».

Ныне в США, России, Европе и других странах появились очень мощные источники излучений в виде ускорителей протонов и электронов на гигантские энергии.

Дж. Кокрофт (1897-1967 гг.), английский физик, в 1932 г. вместе с Э. Уо-

лтоном создал высоковольтный генератор, работающий по принципу умноже-

ния напряжения. Ускоряя ионы до больших скоростей, они сумели в первой половине 1932 г. ускоренными протонами осуществить ядерную реакцию, об-

лучая литиевую мишень, и расщепили ядра атомов лития. Здесь уместно доба-

вить, что в Советском Союзе, в Харьковском физико-техническом институте,

ученые-физики К. Д. Синельников, А. К. Вальтер, А. И. Лейпунский и Г. Д. Ла-

22

тышев повторили к ноябрю 1932 г. эксперимент на каскадном генераторе, со-

зданном харьковчанами, и расщепили ядро лития. Это сообщение произвело на Западе фурор, так как никто не мог ожидать, что в далеком Харькове есть такие кадры физиков и возможности создать каскадный генератор в короткие сроки.

Вскоре после открытия нейтрона возникли гипотезы о строении ядра. В

дискуссии включились физики-теоретики, и в их числе Д. Д. Иваненко. В 1932

г. он высказал гипотезу о протон-нейтронном составе ядер. Эта модель не сразу была принята, и, в частности, теоретик В. Гейзенберг провел большую работу,

участвуя в дискуссиях по структуре атомного ядра: он развил идею обменного характера взаимодействий нуклонов в ядре.

Итальянский физик Э. Ферми (1901-1954 гг.), в 1938 г. эмигрировавший из фашистской Италии в США, внес большой вклад в развитие современной теоретической и экспериментальной физики. Он заложил основы нейтронной физики, впервые наблюдал искусственную радиоактивность, вызванную бом-

бардировками нейтронами ряда элементов, в том числе урана, создал теорию этого явления. Позднее, а именно в декабре 1942 г., Ферми первому в мире уда-

лось осуществить управляемую цепную реакцию в построенном им в США первом в мире ядерном реакторе.

В 1934 г. Э. Ферми пытался с помощью бомбардировки нейтронами эле-

мента урана получить заурановые элементы, не существующие в природе. В ре-

зультате бомбардировки наблюдалось образование ряда радиоактивных веществ.

Химические исследования показали, что эти вещества являлись изотопами из-

вестных элементов периодической системы. Наблюдаемое им впервые в истории физики деление ядер урана не было правильно понято. Ферми предположил, что ядро урана, захватив нейтрон, становится бета-радиоактивным и после испуска-

ния бета-частицы превращается в ядро нового трансуранового элемента.

Эта работа Ферми и посвященные тем же проблемам работы его друга Э. Сегре привлекли широкое внимание ученых к возможности деления ядер урана. В конце 1934 г. известный физико-химик Ида Нодцак выступила в тех-

ническом журнале с общим тезисом о том, что с научной точки зрения недопу-

23

стимо говорить о новых элементах, не установив, что при облучении урана нейтронами не возникают какие-либо известные химические элементы: «Допу-

стимо, что при бомбардировке тяжелых ядер нейтронами эти ядра распадаются на несколько больших осколков, которые являются изотопами известных эле-

ментов, хотя и не соседних с облученными».

«Читая сегодня эту фразу, мы видим в ней ясное предсказание воз-

можности деления ядер» (это высказывание принадлежит В. Герлаху, извест-

ному немецкому физику). Но в 1934 г. на эту мысль Иды Нодцак не обратили внимания, ее пророчество повисло в воздухе, и только после опубликования работ по делению ядер О. Ганом и Ф. Штрассманном в 1939 г. И. Нодцак попы-

талась присвоить себе честь открытия деления ядер урана. Но ученые с этим не согласились, так как Ган и Штрассманн осуществили деление ядер урана мед-

ленными нейтронами.

1.4. Развитие атомной энергетики в послевоенное и наше время

Испытания, связанные с расщеплением атомного ядра, в Советском Сою-

зе возобновились лишь в середине 1943 г., но уже в декабре 1946 г. в Москве на территории Института атомной энергии (носящего сейчас имя его основателя И. В. Курчатова) был введен в действие первый в Европе и Азии исследова-

тельский ядерный реактор. В августе 1949 г. было проведено испытание атом-

ной бомбы, а в августе 1953 г. – водородной. Советские ученые овладели тай-

нами ядерной энергии, лишив США монополии на ядерное оружие.

Но создавая ядерное оружие, советские специалисты думали и об исполь-

зовании ядерной энергии в интересах народного хозяйства, промышленности,

науки, медицины и других областей человеческой деятельности. В декабре

1946 г. в СССР был пущен первый в Европе ядерный реактор. В июне 1954 г.

вошла в строй первая в мире атомная электростанция в подмосковном городе Обнинске. В 1959 г. спущен на воду первый в мире атомный ледокол «Ленин».

Таким образом, ядерная физика создала научную основу атомной технике, а

24

атомная техника в свою очередь явилась фундаментом ядерной энергетики, ко-

торая, опираясь на ядерную науку и технику, стала в настоящее время развитой отраслью электроэнергетического производства.

Уже в 1986 г. выработка электроэнергии на АЭС мира достигала 15 % от общего количества энергии, производимой всеми электростанциями, а в ряде стран ее доля составила 30 % (Швеция, Швейцария), 50 % (Бельгия) и даже

65-70 % (Франция). Достаточно успешно атомная энергетика развивалась и на территории бывшего Советского Союза: строились АЭС, наращивалась мине-

рально-сырьевая урановая база.

Происшедшая в 1986 г. Чернобыльская авария помимо колоссального общего ущерба людям, народному хозяйству страны нанесла тяжелый удар по ядерной энергетике в целом и прежде всего по развивающейся в бывшем СССР,

где стало формироваться общественное мнение о необходимости полного за-

прещения строительства новых и ликвидации действующих АЭС. Однако все-

сторонний анализ перспектив развития мировой энергетики однозначно пока-

зал, что реальных альтернатив у других видов энергии по отношению к атом-

ной энергетике в обозримом будущем, по существу, нет – при обязательном условии, что проектирование и строительство АЭС осуществляется с много-

кратным запасом прочности, с обеспечением их полной безопасности. Именно по такому пути развивается в настоящее время атомная энергетика в высоко-

развитых странах - во Франции, Бельгии, в сейсмоактивной Японии, США и других. Уже в 1990 г. мощность АЭС во всем мире достигла около 327 млн кВт и возрастает, по данным МАГАТЭ, к 2005 г. до 447 млн кВт.

25

2. ОСОБЕННОСТИ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Энергия – это основа основ. Все блага цивилизации, все материальные сферы деятельности человека – от стирки белья до исследования Луны и Марса

– требуют расхода энергии. И чем дальше, тем больше.

На сегодняшний день энергия атома широко используется во многих от-

раслях экономики. Строятся мощные подводные лодки и надводные корабли с ядерными энергетическими установками. С помощью мирного атома осу-

ществляется поиск полезных ископаемых. Массовое применение в биологии,

медицине, в освоении космоса нашли радиоактивные изотопы.

В России имеется 9 атомных электростанций (АЭС), и практически все они расположены в густонаселенной европейской части страны. В 30-

километровой зоне этих АЭС проживает более 4 млн. человек.

Положительное значение атомных электростанций в энергобалансе оче-

видно. Гидроэнергетика для своей работы требует создание крупных водохра-

нилищ, под которыми затапливаются большие площади плодородных земель по берегам рек. Вода в них застаивается и теряет свое качество, что в свою очередь обостряет проблемы водоснабжения, рыбного хозяйства и индустрии досуга.

Теплоэнергетические станции в наибольшей степени способствуют раз-

рушению биосферы и природной среды Земли. Они уже истребили многие де-

сятки тонн органического топлива. Для его добычи из сельского хозяйства и других сфер изымаются огромные земельные площади. В местах открытой до-

бычи угля образуются «лунные ландшафты». А повышенное содержание золы в топливе является основной причиной выброса в воздух десятков миллионов тонн. Все тепловые энергетические установки мира выбрасывают в атмосферу за год до 250 млн. т золы и около 60 млн. т сернистого ангидрида.

Атомные электростанции – третий «кит» в системе современной мировой энергетики. Техника АЭС, бесспорно, является крупным достижением НТО. В

случае безаварийной работы атомные электростанции не производят практиче-

ски никакого загрязнения окружающей среды, кроме теплового. Правда в ре-

26

зультате работы АЭС (и предприятий атомного топливного цикла) образуются радиоактивные отходы, представляющие потенциальную опасность. Однако объем радиоактивных отходов очень мал, они весьма компактны, и их можно хранить в условиях, гарантирующих отсутствие утечки наружу.

3. ИСТОРИЯ АЭС

Атомная электростанция (АЭС) – ядерная установка для производства энергии в заданных режимах и условиях применения, располагающаяся в пре-

делах определённой проектом территории, на которой для осуществления этой цели используются ядерный реактор (реакторы) и комплекс необходимых си-

стем, устройств, оборудования и сооружений с необходимыми работниками

(персоналом) (ОПБ-88/97).

Во второй половине 40-х гг., еще до окончания работ по созданию первой советской атомной бомбы (её испытание состоялось 29 августа 1949 года), со-

ветские учёные приступили к разработке первых проектов мирного использо-

вания атомной энергии, генеральным направлением которого сразу же стала электроэнергетика.

4. ПЕРВАЯ ПРОМЫШЛЕННАЯ АЭС

Первая в мире опытно-промышленного назначения атомная электростан-

ция (АЭС) мощностью 5 МВт была запущена в СССР 27 июня 1954, в городе Обнинске Калужской области.

В 1948 г. по предложению И. В. Курчатова и в соответствии с заданием партии и правительства начались первые работы по практическому примене-

нию энергии атома для получения электроэнергии.

В феврале 1950 года в Первом Главном управлении, возглавляемом Б. Л. Ванниковым и А. П. Завенягиным, детально были обсуждены предложе-

ния ученых, а 29 июля того же года И.В. Сталин подписал Постановление Сов-

27

мина СССР о разработке и сооружении в городе Обнинске АЭС с реактором,

получившим условное наименование «AM». Проектировал реактор Н. А. Дол-

лежаль со своим коллективом. Одновременно велось проектирование станци-

онного оборудования, другими организациями, а также здания АЭС.

Своим заместителем по научному руководству Обнинской АЭС, Курча-

тов назначил Д. И. Блохинцева, приказом ПГУ Блохинцеву поручалось не толь-

ко научное, но и организационное руководство строительством и пуском АЭС.

Первым директором АЭС был назначен Н. А. Николаев. Основной задачей строительства первой АЭС заключалось в проверке технической осуществимо-

сти безопасной работы в единой технологической схеме с турбиной в условиях выдачи энергии на сеть, – многие технические решения по реактору были вы-

браны достаточно консервативными, со значительным запасом надежности.

В мае 1950 года близ посёлка Обнинское Калужской области начались работы по строительству первой в мире АЭС. В 1952 году велись научные и проектные работы по реактору «AM» и АЭС в целом. В начале года разверну-

лись работы по подземной части АЭС, строительству жилья и соцкультбыта,

подъездных путей, плотины на реке Протве. В 1953 году выполнен основной объем строительных и монтажных работ: возведен реакторный корпус и здание турбогенератора, смонтированы металлоконструкции реактора, парогенерато-

ры, трубопроводы, турбина и многое другое. В 1953 году стройке дан статус важнейшей в Минсредмаше (в 1953 году ПГУ было преобразовано в Министер-

ство среднего машиностроения). Курчатов часто приезжал на строительство,

ему построили небольшой деревянный домик в соседнем лесу, где он проводил совещания с руководителями объекта.

Схема атомной электростанции существенно усложнялась именно тем,

что в рабочих каналах требовалось поддерживать высокое давление, чтобы по-

лучить пар необходимых параметров для работы турбины. Приходилось вво-

дить в активную зону реактора больше конструктивных материалов, что требо-

вало обогащения урана изотопом 235. В целях безусловного исключения воз-

можности появления радиоактивности во П контуре и в машинном зале схема

28

АЭС была выбрана двухконтурной с производством пара в парогенераторах,

изготовленных из нержавеющей стали (рисунок 1.).

Рис. 1. Схема работы атомной электростанции на двухконтурном водоводяном энергетическом реакторе.

Первый радиоактивный контур включал в себя технологические каналы реактора, насосы для циркуляции воды, трубчатую часть парогенераторов и со-

единительные трубопроводы первого контура. Парогенератор представляет со-

бою сосуд, рассчитанный на значительное давление воды и пара. В нижней ча-

сти сосуда размещены пучки тонких трубок, через которые прокачивается вода первого контура с давлением около 100 атмосфер и температурой 300 градусов.

Между трубными пучками находится вода второго контура, которая, воспри-

нимая тепло от трубных пучков, нагревается и кипит. Образующийся пар при давлении более 12 атмосфер направляется в турбину. Таким образом, вода пер-

вого контура не смешивается в парогенераторе со средой второго контура и он остается «чистым.» Пар, отработавший в турбине, охлаждается в турбинном конденсаторе и превращается в воду, ее снова перекачивают насосом в пароге-

нератор. Так поддерживается циркуляция теплоносителя во втором контуре.

Обнинская АЭС оснащена одним уран-графитовым канальным реактором с водяным теплоносителем АМ-1 (аббревиатура AM изначально означала «атом морской», так как реактор был предназначен для транспортной установки, од-

29

нако его размеры оказались слишком велики и было принято решение об ис-

пользовании данного реактора для гражданской энергетики, в результате чего расшифровкой аббревиатуры AM стало сочетание «атом мирный») мощностью

5 МВт. Идея конструкции активной зоны станции была предложена И. В. Кур-

чатовым совместно с профессором С. М. Фейнбергом, главным конструктором стал академик Н. А. Доллежаль. Конструкция реактора первой в мире АЭС представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Реактор первой в мире АЭС: 1 – боковая водяная защита; 2 – кожух кладки; 3 – верхнее перекрытие; 4 – сборный коллектор; 5 – топливный канал; 6 – верхняя плита;

7 – графитовая кладка; 8 – нижняя плита; 9 – распределительный коллектор

Обычные урановые блоки не были пригодны для АЭС. Пришлось кон-

струировать специальные технологические каналы, состоящие из системы тон-

костенных трубок небольшого диаметра, на наружных поверхностях которых размещалось ядерное топливо. Технологические каналы длиною в несколько метров загружались в ячейки графитовой кладки реактора мостовым краном ре-

акторного зала и присоединялись к трубопроводам первого контура съемными деталями. В качестве конструкционного материала технологических каналов и оболочек твэлов была принята нержавеющая сталь; циркониевых сплавов, под-

ходящих по свойствам для работы при температуре 300 °С, еще не было. Реактор