27 июня 1954 г. под Москвой, в г. Обнинске была введена в строй первая в мире атомная электростанция АЭС (АЭС-1) полезной мощностью 5000 кВт.
Уран был открыт в 1789 году немецким химиком Мартином Клапротом и назван в честь планеты Уран. Спустя десятилетия, в декабре 1951 года, на экспериментальном реакторе-размножителе EBR-I в Арко, штат Айдахо, США, ядерная энергия впервые произвела электричество — для работы четырех лампочек. Однако EBR-I не был предназначен для производства электроэнергии.
АЭС-1 в Обнинске — первая в мире атомная электростанция, вырабатывающая электроэнергию для коммерческого использования.
Первая в мире АЭС
В создании первой в мире атомной электростанции участвовали ведущие институты, конструкторские бюро и заводы СССР. Научное руководство проблемой осуществлял Институт атомной энергии (ИАЭ) и лично академик И. В. Курчатов. С 1951 г. научно-техническое руководство было поручено Физико-энергетическому институту и его директору профессору Д. И. Блохинцеву.
Первым заместителем директора был А. К. Красин. Разработкой тепловыделяющих элементов (твэлов) руководил В. А. Малых. Конструкцией реактора занимался коллектив во главе с академиком Н. А. Доллежалем и его ближайшим помощником П. И. Алещенковым. Одна из важнейших систем — система управления и защиты реактора — разрабатывалась под руководством члена-корреспондента АН СССР И. Я. Емельянова.
Здание Обниской АЭС в 1950-е годы
В феврале 1950 года ученые предложили построить в Подмосковье экспериментальный реактор для выработки 30 000 кВт тепла и 5 000 кВт электроэнергии. Совет Министров СССР одобрил проект в мае 1950 года.
В конце декабря 1950 г. выпустили эскизный проект реактора и теплосиловой установки, а в конце следующего года началось рабочее проектирование и изготовление оборудования. Строительство началось в июле 1951 года.
Для первой АЭС был выбран водо-графитовый канальный реактор. В нем замедлителем является графит, а вода служит для отвода тепла, выделяющегося в твэлах (попутно она также участвует в замедлении нейтронов).
СССР. Калужская область. Обнинск. Реактор первой в мире атомной электростанции. Фото ТАСС / Валентин Кунов
Принципиальное устройство энергетического реактора — сложного и дорогостоящего технического сооружения — достаточно просто.
Водо-графитовые канальные реакторы, прародительницей которых является первая АЭС, состоят из кладки графитовых блоков, пронизанных вертикальными отверстиями. Отверстия образуют равномерную сетку. В них помещаются топливные каналы с твэлами и устройства системы управления и защиты (СУЗ).
Графитовая кладка размещается в герметичном реакторном пространстве, которое заполняется инертным газом. Реакторное пространство образуется нижней плитой, на которой покоится кладка, боковым кожухом и верхней плитой с отверстиями, совпадающими с отверстиями кладки.
Для отвода выделяющегося в твэлах тепла на первой АЭС предусматривались два циркуляционных контура.
Первый контур герметичный. В нем вода (теплоноситель) подается сверху в каждый топливный канал, где она нагревается, затем поступает в теплообменник — парогенератор, после охлаждения в котором насосы возвращают ее в реактор.
Во втором контуре, в парогенераторе, образуется пар, приводящий в действие обычную турбину. Таким образом, энергетический реактор заменяет собой паровой котел тепловой электростанции. Поэтому его часто называют парогенерирующей ядерно-энергетической установкой.
Конструктивная схема реактора первой АЭС
Сейчас устройство первой АЭС представляется простым и обычным. В особенности специалистам. Но почти 70 лет назад, когда она создавалась, не существовало никакого аналога, модели или стенда, на которых можно было бы проверить результаты расчетов.
А вопросов оказалось множество. Как распределить воду первого контура по всем 128 топливным каналам и еще по четырем твэлам каждого канала и как это распределение будет изменяться при изменении мощности канала (неизбежном в процессе эксплуатации)?
Как поведет себя реактор при опять-таки неизбежном изменении плотности воды в канале, в особенности во время его разогрева при пуске и охлаждении при остановке, при переходе реактора с одной мощности на другую и т. п.?
С началом работы первой АЭС на эти и многие другие вопросы были получены ответы, полностью подтвердившие ожидания ученых и разработчиков станции.
Решения, заложенные в конструкцию первой АЭС, оказались настолько удачными, что и сейчас, после сорока лет эксплуатации, ее продолжали успешно использовать для научно-технических экспериментов.
В 1956 году первая коммерческая атомная электростанция Calder Hall 1 была подключена к национальной сети Великобритании. В 1958 году была открыта первая коммерческая атомная электростанция в Соединенных Штатах - Атомная электростанция Шиппорт. В 1964 году первый во Франции энергетический реактор EDF1 работал в Шиноне на реке Луара.
Около 4 лет, до открытия Сибирской АЭС в г. Томске, Обнинск оставался единственным ядерным энергетическим реактором в Советском Союзе. Следующей советской атомной электростанцией, которая была подключена к их сети, в 1964 году был Белоярский энергоблок №1 мощностью 100 МВт (смотрите — Атомные электростанции России).
Наиболее близки были к реактору в Обнинске реакторы первой очереди Белоярской АЭС и Билибинской АТЭЦ. Но есть и принципиальные отличия. На Белоярской АЭС впервые в мировой практике был применен ядерный перегрев пара.
Опыт создания и десятилетие эксплуатации канальных реакторов позволил разработать проект серийного энергетического реактора РБМК (реактор большой мощности кипящий). Тепловая схема его такая же как и у водо-графитовые канальных реакторов, но твэлы не трубчатые, а стержневые — с оболочками из циркониевого сплава, слабо поглощающего нейтроны.
18 таких твэлов объединяются в тепловыделяющую сборку, которая сверху устанавливается в циркониевую трубу, образуя топливный канал. В таких же трубах перемещаются устройства защиты и управления.
Конструкция топливных каналов позволяет перегружать топливо (с помощью специальной машины) без остановки реактора, неизбежной практически для всех реакторов другого типа. Время работы реактора на мощности повышается, существенно увеличивается эффективность использования урана.
Конструктивная схема канального водо-графитового реактора РБМК
Первый РБМК электрической мощностью 1000 МВт был установлен на Ленинградской АЭС, вступившей в строй в 1973 г. Такие же реакторы стояли на Чернобыльской АЭС.
В конце 1983 г. на Игналинской АЭС вступил в строй первый РБМК-1500. Таким образом, менее чем за 30 лет единичная мощность реакторов возросла в 300 раз. В одном РБМК-1500 реализована такая же мощность, как во всех электростанциях, сооруженных по плану ГОЭЛРО. Игналинский реактор несколько лет был мощнейшим в мире.
По данным Международного агентства по атомной энергии, в настоящее время в мире насчитывается 443 действующих гражданских ядерных реактора, еще 51 находятся в стадии строительства.
Обнинская АЭС была остановлена и выведена из эксплуатации в апреле 2002 года, т.е. она безаварийно проработала 48 лет, что на 18 лет дольше, чем планировалось изначально и за это время на станции был всего один капитальный ремонт.
Значение первой АЭС трудно переоценить. Огромна ее роль в становлении ядерной энергетики, в обосновании технических решений, заложенных в проекты последующих станций, в подготовке высококвалифицированных кадров.
В 2009-м году на базе Обнинской АЭС был создан музей атомной энергетики.