След первой

Для начала расставим все точки над i, ответив на вопрос: какой день считать днем рождения атомной энергетики? Воспоминания атомщиков отсылают к 26 июня 1954 года, а главная советская газета «Правда» писала о 27‑м. Если выбрать 26 июня, снова возникает путаница. В оперативном журнале ученый Дмитрий Блохинцев написал: «17 часов 45 минут. Пар подан на турбину», а в недавно рассекреченном докладе руководителей атомной отрасли Президиуму Ц К КПСС и Совету министров СССР говорится: «26 июня в 17.30 начала работать первая в мире промышленная электростанция на атомной энергии». Чему же верить? Вероятно, все дело в терминологии: подача пара на турбину и подключение к Мосэнерго — ​не одно и тоже. Получается, промышленная эксплуатация реактора началась 26 июня, но страна увидела результат (первую электроэнергию) уже 27 июня. Выбор точки зрения — ​изнутри отрасли или снаружи — ​определит, какое событие важнее.

Еще один вопрос: когда Обнинская АЭС была отключена от Мосэнерго? Ответа нет до сих пор: документы (распоряжения, приказы или хотя бы зафиксированные воспоминания) не обнаружены. Вероятно, решение о переводе реактора АМ в статус исследовательского созрело в 1956 году. «С самого начала было понятно, что мощность 5 МВт — ​это ничто для Мосэнерго. Цель А М — ​доказать, что цепную реакцию деления урана можно использовать для длительной выработки электроэнергии и передачи ее в сеть. Эта цель была достигнута, и появились планы сооружения мощных энергоблоков. Те инженерные решения, которые использовались для АМ, нельзя было просто масштабировать, нужно было проводить испытания новых конструкторских схем, материалов, топлива, систем управления реактором и т. д. Очевидно, что удобнее всего проводить такие исследования на настоящем реакторе, а не на стенде. И тут возникает противоречие: энергетикам нужно, чтобы реактор работал постоянно на одном уровне мощности, а ученым — ​чтобы можно было его отключать, подключать новые петли и т. д. Взвешивая пользу Обнинской АЭС для энергетики и науки, руководство выбрало единственно верный вариант — ​исследования», — ​объясняет ведущий научный сотрудник ФЭИ, доктор технических наук Андрей Морозов.

Метод частичных перегрузок
Во время недолгой эксплуатации АМ в энергетическом режиме сотрудники АЭС разработали метод частичных перегрузок. Согласно проектной документации, было необходимо менять сразу всё топливо, хотя очевидно, что топливо внутри реактора выгорает неравномерно: в центре активной зоны поток нейтронов максимальный, поэтому топливо там выгорает более глубоко. Атомщики предположили, что имеет смысл менять только часть топливных каналов: те, что отработали цикл на периферии активной зоны, нужно перемещать в центр, а на периферию загружать новое топливо. Эта хитрость позволила почти вдвое увеличить среднее выгорание топлива, иными словами — ​сэкономить топливо и снизить себестоимость электроэнергии.

Ноу-хау обнинцев сегодня в учебниках называется схемой out-in. Есть и модификация in-out, при которой, наоборот, свежее топливо загружается в центр. Такая схема позволяет добиться максимальной глубины выгорания топлива, но при этом возникает высокая неравномерность энерговыделения, иными словами, реактор менее управляем. Выбор схемы зависит от типа реактора и задач; обе схемы применяются и сегодня.

Уран-графитовые реакторы
АМ был уран-графитовым канальным реактором с водяным теплоносителем, поэтому все уран-графитовые реакторы (АМБ‑1 и АМБ‑2, ЭГП‑6, РБМК‑1000 и РБМК‑1500) — ​его прямые потомки. Уже в августе 1955 года вышло постановление Правительства СССР о подготовке сооружения атомных электростанций большой мощности, в том числе АМБ и РБМК.

Для проведения научных и инженерных экспериментов на реакторе АМ в общей сложности было сооружено 17 петель различного назначения, причем ­какие-то работали параллельно. Так что жизнь после энергетики у реактора была намного длиннее и насыщеннее, чем в период подключения к сети.

В частности, именно на АМ в 1957 году в СССР впервые осуществили ядерный перегрев пара: на петлевых установках было проведено экспериментальное обоснование режимов работы с кипением воды в испарительных и перегревом пара в пароперегревательных каналах. Также был сооружен критический стенд с центральной вставкой — ​имитатором реальной решетки реактора АМБ. В результате исследований были обоснованы состав и компоновка активных зон реакторов АМБ‑100 и АМБ‑200, биологической защиты, органов управления. Было испытано 80 экспериментальных каналов с различными топливными композициями. Именно в Обнинске проходили проверку новые датчики нейтронного потока и температуры, новые сорта графита, сплавы циркония и других материалов.

АРБУС и ТЭС 3
Две петли АМ работали с органическим теплоносителем. Поначалу он казался весьма перспективным, поскольку не требовал высокого давления в первом контуре и был химически инертен, что серьезно упрощало задачу подбора материала для твэлов. Однако при высоких температурах и нейтронном облучении органические жидкости становятся вязкими, распадаются на фракции и могут образовывать полимерные соединения, оседающие на стенках реактора и твэлах (это явление называется фаулингом), поэтому в первом контуре нужны специальные фильтры (их чистка и регулярная замена снижают рентабельность энергоблока).

Знания, которые атомщики получили, в числе прочего, на АМ, позволили сконструировать и соорудить АРБУС — ​установку, которую изначально планировалось использовать на советской научной станции в Антарктиде. В 1963 году в НИИАРе началась ее опытная эксплуатация как АЭС, а с 1979 года АРБУС функционировал как первая в СССР атомная станция теплоснабжения (АСТ). Относительно простые и дешевые в изготовлении и эксплуатации, такие реакторы все же не стали серийными. Органический теплоноситель оказался тупиковым направлением. Чтобы это понять, потребовалась масса экспериментов, которые в 1980‑х были продолжены на исследовательском реакторе МИР-М1 в НИИАРе. А началось всё на АМ.

Космос
Космическое направление в Лаборатории «В» появилось в 1951 году: молодые специалисты, выпускники МГУ Игорь Бондаренко и Виктор Пупко в свободное от работы время начали делать расчеты для ядерного ракетного двигателя (ЯРД) большой тяги с водородом в качестве рабочего тела. Сначала Дмитрий Блохинцев, а затем сменивший его Александр Лейпунский инициативу поддержали. Более того, расчеты пригодились: сотрудники Лаборатории «В» дали оценочные характеристики ЯРД для баллистических ракет сначала с водородом, а потом — ​с аммиаком, спиртом и другими газами в качестве рабочего тела. Эти наработки стали основой отчета Лаборатории «В» «Баллистическая атомная ракета» 1954 года, который был отправлен в Министерство среднего машиностроения и ОКБ‑1 (его возглавлял Сергей Королев), Институт прикладной математики АН СССР (Мстислав Келдыш), ОКБ‑456 (Валентин Глушко).

С 1958 года над созданием ЯРД работали НИИ‑8 (НИКИЭТ) и специализированные космические КБ. Сначала был проект ИГР (импульсный графитовый реактор), затем — ​ИВГ‑1, а потом — ​ИРГИТ (ИР‑100), в котором принимал участие и ФЭИ (на стенде в Обнинске состоялся физический пуск установки). Именно ИРГИТ можно назвать полноценным советским ЯРД, его многолетние испытания проходили на Семипалатинском полигоне.

Помимо ЯРД быстро появилось и развивалось другое направление — ​бортовые космические ядерные энергетические установки (ЯЭУ). Идея спутника с ЯЭУ на борту родилась в 1956 году, когда стало известно, что к испытаниям готова ракета-­носитель Р‑7, способная выводить на орбиту довольно большой груз. С. Королев потенциал атомной тяги оценил и способствовал тому, чтобы инициатива попала в государственный план исследований. Научным руководителем работ был назначен ФЭИ.

Прорабатывались установки нескольких типов, включая машинное преобразование энергии (ртутный и калиевый пар, газотурбинная схема), но в итоге остановились на термоэлектрической схеме. Установка получила название БУК. Были созданы компактный реактор на быстрых нейтронах (пригодился опыт эксплуатации первого в СССР быстрого реактора — ​БР‑1) и термоэлектрический преобразователь на полупроводниках. Физика реактора отрабатывалась на специально созданном критическом стенде, а твэлы с уран-молибденовым сплавом и торцевыми бериллиевыми отражателями испытывались на ресурс в ампульном канале реактора АМ. В отличие от проекта Института атомной энергии «Ромашка», так и не побывавшего в космосе, и американского SNAP, проработавшего в космосе 43 дня и вышедшего из строя, БУК отлично себя показал, поэтому на орбиту были выведены 33 спутника с БУКами на борту, использовавшиеся в составе боевой системы военно-­морской космической разведки.

Параллельно шла работа над термоэмиссионной установкой. В ней преобразование тепла в электроэнергию происходит не в отдельном устройстве (преобразователе), а внутри реактора. Расчеты показывали, что эта схема имеет более высокий КПД, больший срок службы и лучшие массогабаритные характеристики (что очень важно, когда речь идет о выводе полезной нагрузки на орбиту), чем термоэлектрическая. Принцип работы прост: топливо (диоксид урана с 90 % обогащением) заключено в молибден-­вольфрамовую оболочку (катод). Вся эта сборка («гирлянда Малыха») помещена внутрь ниобиевой трубки (анода) с парами цезия внутри. Нагреваемый цепной реакцией деления урана, катод испускает электроны, попадающие на анод. Электрическая цепь замыкается, вырабатывается электроэнергия 5−6,6 кВт. Испытания электрогенерирующих каналов проводились на петле прямого преобразования, которую построили на АМ в 1962 году, а для наземных энергетических испытаний термоэмиссионных ЯЭУ в ФЭИ был сооружен специальный стенд (вакуумная камера, отделение дистанционной резки, стапеля сборки реактора и общей сборки ЯЭУ). Испытания прошли в 1970 году.

ЯЭУ ТОПАЗ — ​это инженерный шедевр. Никаких парогенераторов и турбин, реактор сразу выдает электричество! Но для того, чтобы это стало возможным, пришлось провести колоссальную работу. Теплофизик, участник проекта Юрий Юрьев в интервью изданию AtomInfo.ru в 2010 году рассказал: «В этом реакторе присутствуют абсолютно все физические поля, которые есть в мире. Вакуум есть. Низкотемпературная плазма есть. Электрическое поле есть. Магнитное поле есть. Поле напряжения есть. Механические поля есть. Поле скорости, поле давления. Температурное поле. Абсолютно все поля, о которых написано в учебниках, присутствуют в этом реакторе. И нужно было их уместить в этом маленьком объеме и оптимизировать. В проекте ТОПАЗ были применены все новейшие изобретения реакторных технологий. И физическое профилирование, при котором мощность каждого твэла одинакова. И электротехническое профилирование, при котором температура электрогенерирующих элементов по длине канала оставалась неизменной. Это был фокус, в котором сходились все достижения ядерной энергетики на то время».

В 1987 году были запущены два спутника с ЯЭУ ТОПАЗ на борту: «Космос‑1818» и «Космос‑1876». Обе установки отработали без сбоев до исчерпания запасов цезия. После этого ТОПАЗ, к сожалению, не применялся.

Наработка изотопов
По мере развития атомных технологий все больше внимания стало уделяться ядерной медицине. Среди множества радиоактивных изотопов уже в 1950‑х выделялся ^99mТс, очень удобный для диагностики онкологических и сердечно-­сосудистых заболеваний. В 1958 году появился первый генератор технеция на основе ⁹⁹Mo. Оставался один вопрос: где брать ⁹⁹Mo? В 1984 году Лев Кочетков и Михаил Ланцов представили первые расчеты, доказавшие возможность и целесообразность наработки ⁹⁹Mo из ⁹⁸Mo в реакторе АМ. Вопрос был крайне актуален, так что исследования начались без проволочек.

Самой большой проблемой стали ампулы-­мишени: в ходе поиска состава и конструкции несколько облучательных ампул разрушились. Параллельно пришлось решать и другие задачи: технология выделения молибдена и его аффинаж, переработка ампул-­мишеней, методы контроля технологических процессов и готовой продукции. Речь шла не об экспериментах, а о технологии промышленного производства изотопа, поэтому экономический фактор играл крайне важную роль. В итоге производство ⁹⁹Mo на реакторе АМ началось в 1987 году, и ФЭИ запустил производство генераторов ^99mTc (сегодня линейка генераторов намного шире).

Опыт оказался настолько удачным, что уже в 1991 году на Ленинградской АЭС был создан специализированный отдел радиационных технологий. И сегодня на уран-графитовых реакторах РБМК налажено промышленное производство не только ⁹⁹Mo, но и ¹²⁵I, ¹³¹I, ¹⁵³Sm, ¹⁷⁷Lu, ⁶⁰Co, а также выполняется ядерное легирование монокристаллического кремния.

Кадры
В октябре 1954 года в Малоярославец-1 (ныне — ​Обнинск) прибыла группа офицеров военно-­морского флота. По рекомендации, полученной в Москве, в Минсредмаше, они «огражданились», поэтому мало кто знал, что это члены экипажей строящихся атомных подводных лодок К‑3 и К‑5, первых в СССР. Моряки были выпускниками паросилового факультета Высшего Военно-­морского инженерного училища, прошли курс химического факультета Военно-­морской академии кораблестроения и вооружения им. А. Н. Крылова и курс ядерной физики при Ленинградском университете. За шесть лет обучения они отлично изучили паротурбинные установки, с которыми намеревались работать на АПЛ, но устройство реактора оставалось для них загадкой.

Лев Жильцов, будущий командир К‑3, герой Советского Союза и контр-­адмирал, оставил воспоминания о практике в Обнинске. Директор АЭС Николай Николаев скептически отнесся к планам офицеров пройти обучение за два-три месяца — ​по его расчетам, для усвоения материала нужен был год. «Но мы продолжали гнуть свое и обсуждали с ним принцип распределения офицеров по сменам в период стажировки, сроки сдачи экзаменов на допуск к самостоятельному управлению и т. п. Николай Андреевич больше не возражал, а напоследок заметил, как бы в шутку: „Ну что ж, наши люди несколько лет не были в отпуске. Так что вся надежда на ваших инженеров“. Забегая вперед, скажу: иронизировал он напрасно. Наша стажировка началась в конце января 1955 года, а уже в марте первые офицеры: Вяч. Иванов, В. Еременко, Ю. Горбенко — ​сдали экзамен на допуск к управлению реактором. В апреле они сели за его пульт самостоятельно, и операторы станции ушли в отпуск». В сентябре 1955 года обучение моряков продолжилось на специально созданном стенде 27-ВМ, появился учебный центр ВМФ. Но первый набор операторов АЭУ учился на реакторе АМ.

После моряков-­подводников учениками стали операторы строящегося ледокола «Ленин» и будущих АЭС: Белоярской, Нововоронежской, Билибинской, а также специалисты из Чехословакии, ГДР, Румынии, Китая (тех стран, где АЭС сооружались при участии Советского Союза). Так что для десятков специалистов в разных странах АМ стал настоящим университетом.

Автоматизация и ПО
Сегодня уже никого не удивляет, что Росатом — ​это, в числе прочего, ИТ-компания, создающая цифровые продукты не только для себя. Но мало кто знает, что это направление работы атомщиков появилось еще в 1950‑х.

В 1957 году в Лабораторию «В» поступила ЭВМ «Урал‑1». Для работы с ней в математическом отделе была создана лаборатория вычислительной техники. На основе данных реактора АМ и имевшихся стендов специалисты лаборатории создали две программы, новые для СССР. Первая — ​программа расчета нейтронных сечений по оптической модели атомного ядра для потенциала с размытым краем (так называемого потенциала Вудса-Саксона). По ней проводились реальные расчеты, поэтому в дальнейшем она развивалась и совершенствовалась. Вторая — ​программа расчета энергетических уровней атомных ядер в рамках оптической модели путем решения задачи на собственные значения для уравнения Шредингера с потенциалом Вудса-Саксона.

Вслед за «Уралом‑1» в ФЭИ поступила ЭВМ «Стрела». В центре внимания оказались исследования критических параметров систем делящихся материалов. В Обнинске были разработаны алгоритмы и написана первая в нашей стране специальная программа расчета критических параметров ядерного реактора (тут стоит вспомнить имена Г. Марчука, В. Кочергина, В. Колесова). На ее основе был проведен комплекс расчетов критических масс уран-графитовых и уран-бериллиевых систем, а также различных систем с водными замедлителями.

Неудивительно, что именно в ФЭИ, а не в ­каком-либо ином институте атомной промышленности, в 1963 году был создан Центр по ядерным данным Госкомитета по использованию атомной энергии СССР. Под эгидой МАГАТЭ такие центры были созданы в США, Франции и самом агентстве в Вене; СССР присоединился к этой инициативе. Их задачами стали сбор, хранение, оценка, стандартизация огромных массивов данных и обмен ими. Сегодня в сеть входят четыре российских научных центра, но ФЭИ стал первым.

27 июня 1954 года начался век атомной энергетики. Это событие вдохновило и воодушевило миллионы людей по всему миру, поверивших в научно-­технический прогресс и силу человеческого разума. Возможно, именно в этом главная ценность реактора АМ и Обнинской АЭС. И юбилей — ​удачный повод об этом вспомнить.