Wie ein Kernreaktor funktioniert und funktioniert. Kernreaktor: Funktionsprinzip, Aufbau und Schaltung

Ein Kernreaktor ist ein Gerät, in dem eine kontrollierte nukleare Kettenreaktion abläuft, die mit der Freisetzung von Energie einhergeht.

Geschichte

Eine sich selbst erhaltende kontrollierte Kettenreaktion der Kernspaltung (kurz Kettenreaktion) wurde erstmals im Dezember 1942 durchgeführt. Eine Gruppe von Physikern Universität von Chicago, angeführt von E. Fermi, baute den weltweit ersten Kernreaktor, genannt SR-1. Es bestand aus Graphitblöcken, zwischen denen sich Kugeln aus natürlichem Uran und seinem Dioxid befanden. Schnelle Neutronen, die nach der Kernspaltung entstehen 235U, wurden durch Graphit auf thermische Energien abgebremst und verursachten dann neue Kernspaltungen. Reaktoren wie SR-1, in denen die meisten Spaltungen unter dem Einfluss thermischer Neutronen stattfinden, werden als thermische Neutronenreaktoren bezeichnet. Sie enthalten im Vergleich zu Uran viel Moderator.

IN UdSSR Theoretische und experimentelle Studien zu den Merkmalen des Anfahrens, Betriebs und der Steuerung von Reaktoren wurden von einer Gruppe von Physikern und Ingenieuren unter der Leitung eines Akademikers durchgeführt I. V. Kurchatova. Der erste sowjetische Reaktor F1 am 25. Dezember 1946 in einen kritischen Zustand versetzt. Der F-1-Reaktor besteht aus Graphitblöcken und hat die Form einer Kugel mit einem Durchmesser von etwa 7,5 m. Im zentralen Teil der Kugel mit einem Durchmesser von 6 m befindet sich Uran Stäbe werden durch Löcher in den Graphitblöcken geführt. Die Forschungsergebnisse am F-1-Reaktor wurden zur Grundlage für Projekte komplexerer Industriereaktoren. 1949 wurde ein Reaktor zur Herstellung von Plutonium in Betrieb genommen und am 27. Juni 1954 ging das erste Kernkraftwerk der Welt in Betrieb elektrische Energie 5 MW in Obninsk.

Aufbau und Funktionsprinzip

Energiefreisetzungsmechanismus

Die Umwandlung eines Stoffes geht nur dann mit der Freisetzung freier Energie einher, wenn der Stoff über eine Energiereserve verfügt. Letzteres bedeutet, dass sich Mikropartikel eines Stoffes in einem Zustand befinden, dessen Ruheenergie größer ist als in einem anderen möglichen Zustand, in den ein Übergang besteht. Ein spontaner Übergang wird immer durch eine Energiebarriere verhindert, zu deren Überwindung das Mikropartikel eine bestimmte Energiemenge von außen erhalten muss – Anregungsenergie. Die exoenergetische Reaktion besteht darin, dass bei der der Anregung folgenden Umwandlung mehr Energie freigesetzt wird, als zur Anregung des Prozesses erforderlich ist. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Energiebarriere zu überwinden: entweder durch die kinetische Energie kollidierender Teilchen oder durch die Bindungsenergie des sich verbindenden Teilchens.

Wenn wir das makroskopische Ausmaß der Energiefreisetzung berücksichtigen, müssen alle oder zunächst zumindest ein Teil der Partikel der Substanz über die kinetische Energie verfügen, die zur Anregung von Reaktionen erforderlich ist. Dies ist nur erreichbar, indem die Temperatur des Mediums auf einen Wert erhöht wird, bei dem sich die Energie der thermischen Bewegung der Energieschwelle nähert, die den Prozessablauf begrenzt. Bei molekularen Transformationen, d.h. chemische Reaktionen, ein solcher Anstieg beträgt normalerweise Hunderte von Grad Kelvin, bei Kernreaktionen beträgt er aufgrund der sehr hohen Temperatur jedoch mindestens 107°K Hohe Höhe Coulomb-Barrieren kollidierender Kerne. Die thermische Anregung von Kernreaktionen wird in der Praxis nur bei der Synthese der leichtesten Kerne durchgeführt, bei denen die Coulomb-Barrieren minimal sind (thermonukleare Fusion). Die Anregung durch die Verbindung von Partikeln erfordert keine große kinetische Energie und hängt daher nicht von der Temperatur des Mediums ab, da sie aufgrund ungenutzter Bindungen erfolgt, die den Anziehungskräften der Partikel innewohnen. Aber um Reaktionen anzuregen, sind die Teilchen selbst notwendig. Und wenn wir wieder nicht einen separaten Reaktionsakt meinen, sondern die Energieerzeugung im makroskopischen Maßstab, dann ist dies nur möglich, wenn eine Kettenreaktion stattfindet. Letzteres tritt auf, wenn die Teilchen, die die Reaktion anregen, als Produkte einer exoenergetischen Reaktion wieder auftauchen.

Schematischer Aufbau eines heterogenen thermischen Neutronenreaktors1 – Steuerstab; 2 - biologischer Schutz; 3 - Wärmeschutz; 4 - Moderator; 5 - Kernbrennstoff; 6 - Kühlmittel.

Schematischer Aufbau eines heterogenen thermischen Neutronenreaktors

Steuerstab;

biologischer Schutz;

Wärmeschutz;

Moderator;

Kernbrennstoff;

Kühlmittel.

Design

Jeder Kernreaktor besteht aus folgenden Teilen:

Kern mit Kernbrennstoff und Moderator;

Neutronenreflektor umgibt den Kern;

Kühlmittel;

Kettenreaktionskontrollsystem, einschließlich Notfallschutz

Schutz vor Radioaktivität

Fernbedienungssystem

Das Hauptmerkmal eines Reaktors ist seine Leistungsabgabe. Eine Leistung von 1 MW entspricht einer Kettenreaktion, bei der in 1 Sekunde 3·1016 Spaltungen stattfinden.

Physikalische Funktionsprinzipien

Der aktuelle Zustand eines Kernreaktors kann durch den effektiven Neutronenvervielfachungsfaktor k oder die Reaktivität ρ charakterisiert werden, die durch die folgende Beziehung zusammenhängen:

Typisch für diese Größen sind folgende Werte:

k > 1 – die Kettenreaktion nimmt mit der Zeit zu, der Reaktor befindet sich in einem überkritischen Zustand, seine Reaktivität ρ > 0;

k< 1 — реакция затухает, реактор — подкритичен, ρ < 0;

k = 1, ρ = 0 – die Anzahl der Kernspaltungen ist konstant, der Reaktor befindet sich in einem stabilen kritischen Zustand.

Kritikalitätsbedingung für einen Kernreaktor:

ω ist der Anteil der Gesamtzahl der im Reaktor erzeugten Neutronen, die im Reaktorkern absorbiert werden, oder die Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutron nicht aus dem Endvolumen austritt.

k 0 ist der Neutronenmultiplikationsfaktor in einem unendlich großen Kern.

Die Umkehrung des Multiplikationsfaktors auf Eins wird erreicht, indem die Multiplikation der Neutronen mit ihren Verlusten ausgeglichen wird. Tatsächlich gibt es zwei Gründe für die Verluste: Einfangen ohne Spaltung und Austreten von Neutronen aus dem Brutmedium.

Es ist offensichtlich, dass k< k0, поскольку в конечном объёме вследствие утечки потери нейтронов обязательно больше, чем в бесконечном. Поэтому, если в веществе данного состава k0 < 1, то цепная самоподдерживающаяся реакция невозможна как в бесконечном, так и в любом конечном объёме. Таким образом, k0 определяет принципиальную способность среды размножать нейтроны

k0 für thermische Reaktoren kann mit der sogenannten „Formel der 4 Faktoren“ ermittelt werden:

μ – schneller Neutronenmultiplikationsfaktor;

φ ist die Wahrscheinlichkeit, ein resonantes Einfangen zu vermeiden;

θ – thermischer Neutronennutzungsfaktor;

η ist die Neutronenausbeute pro Absorption.

Das Volumen moderner Leistungsreaktoren kann Hunderte von m3 erreichen und wird hauptsächlich nicht durch Kritikalitätsbedingungen, sondern durch die Fähigkeit zur Wärmeabfuhr bestimmt.

Das kritische Volumen eines Kernreaktors ist das Volumen des Reaktorkerns in einem kritischen Zustand. Die kritische Masse ist die Masse des spaltbaren Materials in einem Reaktor, das sich in einem kritischen Zustand befindet.

Reaktoren, in denen der Brennstoff wässrige Lösungen von Salzen reiner spaltbarer Isotope mit einem Wasser-Neutronenreflektor sind, haben die niedrigste kritische Masse. Für 235 U beträgt diese Masse 0,8 kg, für 239 Pu - 0,5 kg. Theoretisch hat 251 Cf die kleinste kritische Masse, für die dieser Wert nur 10 g beträgt.

Um den Neutronenaustritt zu reduzieren, erhält der Kern eine kugelförmige oder nahezu kugelförmige Form, beispielsweise einen kurzen Zylinder oder Würfel, da diese Figuren das kleinste Verhältnis von Oberfläche zu Volumen aufweisen.

Trotz der Tatsache, dass der Wert von (e – 1) normalerweise klein ist, ist die Rolle der schnellen Neutronenzüchtung ziemlich groß, da für große Kernreaktoren (K∞ – 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Um eine Kettenreaktion auszulösen, reichen in der Regel Neutronen aus, die bei der spontanen Spaltung von Urankernen entstehen. Es ist auch möglich, eine externe Neutronenquelle zum Starten des Reaktors zu verwenden, beispielsweise eine Mischung aus Ra und Be, 252 Cf oder anderen Substanzen.

Jodgrube

Jodgrube ist ein Zustand eines Kernreaktors nach dessen Abschaltung, der durch die Ansammlung eines kurzlebigen Xenon-Isotops (135 Xe) gekennzeichnet ist. Dieser Prozess führt zum vorübergehenden Auftreten einer erheblichen negativen Reaktivität, die es wiederum unmöglich macht, den Reaktor innerhalb eines bestimmten Zeitraums (ca. 1–2 Tage) auf seine Auslegungskapazität zu bringen.

Einstufung

Aufgrund der Art der Nutzung

Je nach Art ihrer Verwendung werden Kernreaktoren unterteilt in:

Experimentelle Reaktoren zur Untersuchung verschiedener physikalischer Größen, deren Bedeutung für die Konstruktion und den Betrieb von Kernreaktoren erforderlich ist; die Leistung solcher Reaktoren überschreitet mehrere kW nicht;

Forschungsreaktoren, in denen im Kern erzeugte Neutronen- und γ-Quantenflüsse für Forschungszwecke auf dem Gebiet der Kernphysik, Festkörperphysik, Strahlungschemie und Biologie sowie zum Testen von Materialien verwendet werden, die für den Betrieb in intensiven Neutronenflüssen bestimmt sind (einschließlich ... Teile). von Kernreaktoren) zur Herstellung von Isotopen. Die Leistung von Forschungsreaktoren überschreitet 100 MW nicht; Die freigesetzte Energie wird in der Regel nicht genutzt.

Isotopenreaktoren (Waffen, Industrie) zur Herstellung von Isotopen für Kernwaffen, zum Beispiel 239Pu.

Energiereaktoren zur Erzeugung elektrischer und thermischer Energie für den Energiesektor, zur Wasserentsalzung, zum Antrieb von Schiffskraftwerken usw.; Die thermische Leistung eines modernen Energiereaktors erreicht 3-5 GW.

Laut Neutronenspektrum

Thermischer Neutronenreaktor („thermischer Reaktor“)

Schneller Neutronenreaktor („schneller Reaktor“)

Zwischenneutronenreaktor

Durch Kraftstoffplatzierung

Heterogene Reaktoren, bei denen der Brennstoff diskret in Form von Blöcken im Kern untergebracht ist, zwischen denen sich ein Moderator befindet;

Homogene Reaktoren, bei denen Brennstoff und Moderator eine homogene Mischung darstellen (homogenes System).

Kernbrennstoffblöcke in einem heterogenen Reaktor werden als Brennelemente (Brennelemente) bezeichnet, die im Kern an den Knotenpunkten eines regelmäßigen Gitters angeordnet sind und Zellen bilden.

Nach Kraftstofftyp

Nach Anreicherungsgrad:

Natürliches Uran

Leicht angereichertes Uran

Reines spaltbares Isotop

Nach chemischer Zusammensetzung:

Metall U

UO 2 (Urandioxid)

UC (Urancarbid) usw.

Nach Art des Kühlmittels

H 2 O (Wasser, siehe Wasser-Wasser-Reaktor)

Gas, (siehe Graphit-Gas-Reaktor)

Organisch gekühlter Reaktor

Flüssigmetallgekühlter Reaktor

Reaktor für geschmolzenes Salz

Nach Art des Moderators

C (Graphit, siehe Graphit-Gas-Reaktor, Graphit-Wasser-Reaktor)

H 2 O (Wasser, siehe Leichtwasserreaktor, Wasser-Wasser-Reaktor, WWER)

D 2 O (schweres Wasser, siehe Schwerwasserkernreaktor, CANDU)

Metallhydride

Ohne Retarder

Von Entwurf

Behälterreaktoren

Kanalreaktoren

Durch Dampferzeugungsmethode

Reaktor mit externem Dampferzeuger

Siedereaktor

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts sind heterogene Kernreaktoren mit thermischen Neutronen mit Moderatoren – H 2 O, C, D 2 O und Kühlmitteln – H 2 O, Gas, D 2 O, zum Beispiel Wasser-Wasser-WWER – am häufigsten , Kanal RBMK.

Auch schnelle Reaktoren sind vielversprechend. Der Brennstoff in ihnen ist 238U, was es ermöglicht, die Nutzung von Kernbrennstoff im Vergleich zu thermischen Reaktoren um das Zehnfache zu verbessern, was die Ressourcen der Kernenergie deutlich erhöht.

Reaktormaterialien

Die Materialien, aus denen Reaktoren gebaut werden, arbeiten bei hohen Temperaturen im Bereich von Neutronen, γ-Quanten und Spaltfragmenten. Daher sind nicht alle in anderen Technikzweigen verwendeten Materialien für den Reaktorbau geeignet. Bei der Auswahl der Reaktormaterialien werden deren Strahlungsbeständigkeit, chemische Inertheit, Absorptionsquerschnitt und andere Eigenschaften berücksichtigt.

Brennelementhüllen, Kanäle, Moderatoren (Reflektoren) bestehen aus Materialien mit kleinen Absorptionsquerschnitten. Die Verwendung von Materialien, die Neutronen schwach absorbieren, verringert den verschwenderischen Verbrauch von Neutronen, verringert die Belastung mit Kernbrennstoff und erhöht den Reproduktionskoeffizienten von Neutronen. Für Absorberstäbe hingegen eignen sich Materialien mit großem Absorptionsquerschnitt. Dadurch wird die Anzahl der zur Steuerung des Reaktors benötigten Stäbe deutlich reduziert.

Schnelle Neutronen, γ-Quanten und Spaltfragmente schädigen die Struktur der Materie. So schlagen schnelle Neutronen in einer festen Materie Atome aus dem Kristallgitter oder verschieben sie an ihren Platz. Dadurch verschlechtern sich die plastischen Eigenschaften und die Wärmeleitfähigkeit der Materialien. Komplexe Moleküle werden durch Strahlung in einfachere Moleküle oder Atombestandteile zerlegt. Beispielsweise zerfällt Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Dieses Phänomen ist als Wasserradiolyse bekannt.

Die Strahlungsinstabilität von Materialien wirkt sich bei hohen Temperaturen weniger aus. Die Beweglichkeit der Atome wird so groß, dass die Wahrscheinlichkeit der Rückkehr aus dem Kristallgitter ausgeschlagener Atome an ihren Platz oder der Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff zu einem Wassermolekül deutlich zunimmt. Daher ist die Radiolyse von Wasser in nicht siedenden Energiereaktoren (z. B. WWER) unbedeutend, während in leistungsstarken Forschungsreaktoren eine erhebliche Menge an explosivem Gemisch freigesetzt wird. Reaktoren verfügen über spezielle Systeme zur Verbrennung.

Reaktormaterialien stehen miteinander in Kontakt (Brennstoffhülle mit Kühlmittel und Kernbrennstoff, Brennstoffkassetten mit Kühlmittel und Moderator usw.). Selbstverständlich müssen die Kontaktmaterialien chemisch inert (kompatibel) sein. Ein Beispiel für Unverträglichkeit ist die chemische Reaktion zwischen Uran und heißem Wasser.

Bei den meisten Materialien verschlechtern sich die Festigkeitseigenschaften mit zunehmender Temperatur stark. In Leistungsreaktoren arbeiten Strukturmaterialien bei hohen Temperaturen. Dies schränkt die Auswahl an Baumaterialien ein, insbesondere für die Teile des Leistungsreaktors, die einem hohen Druck standhalten müssen.

Ausbrennen und Reproduktion von Kernbrennstoff

Während des Betriebs eines Kernreaktors ändern sich aufgrund der Ansammlung von Spaltfragmenten im Brennstoff dessen Isotope und chemische Zusammensetzung und es entstehen transuranische Elemente, hauptsächlich Pu-Isotope. Die Auswirkung von Spaltfragmenten auf die Reaktivität eines Kernreaktors wird als Vergiftung (bei radioaktiven Fragmenten) und Verschlackung (bei stabilen Isotopen) bezeichnet.

Die Hauptursache für die Reaktorvergiftung ist 135 Xe, das den größten Neutronenabsorptionsquerschnitt hat (2,6 · 106 Scheunen). Halbwertszeit von 135 Xe T½ = 9,2 Stunden; Die Spaltungsausbeute beträgt 6-7 %. Der Hauptteil von 135Xe entsteht durch den Zerfall von 135I (T½ = 6,8 h). Im Falle einer Vergiftung verändert sich Cef um 1-3 %. Der große Absorptionsquerschnitt von 135 Xe und das Vorhandensein des Zwischenisotops 135 I führen zu zwei wichtigen Phänomenen:

Zu einem Anstieg der Konzentration von 135 . Dieser Effekt wird durch die Einführung einer Reaktivitätsreserve in den Regulierungsbehörden überwunden. Die Tiefe und Dauer der Jodquelle hängt vom Neutronenfluss Ф ab: Bei Ф = 5·1018 Neutronen/(cm 2 ·s) beträgt die Dauer der Jodquelle ~ 30 Stunden und die Tiefe ist 2-mal größer als die stationäre Veränderung des KEF durch 135-Xe-Vergiftung.

Durch Vergiftungen kann es zu räumlich-zeitlichen Schwankungen des Neutronenflusses F und damit der Reaktorleistung kommen. Diese Schwingungen treten bei Ф > 1018 Neutronen/(cm 2 s) und großen Reaktorgrößen auf. Schwingungsperioden ˜ 10 Stunden.

Wenn es zur Kernspaltung kommt große Nummer stabile Fragmente, deren Absorptionsquerschnitte sich vom Absorptionsquerschnitt des spaltbaren Isotops unterscheiden. Konzentration von Fragmenten mit großer Wert Der Absorptionsquerschnitt erreicht innerhalb der ersten Tage des Reaktorbetriebs die Sättigung. Dies ist hauptsächlich 149Sm, was Kef um 1 % ändert. Die Konzentration von Fragmenten mit kleinem Absorptionsquerschnitt und die von ihnen eingeführte negative Reaktivität nehmen linear mit der Zeit zu.

Die Bildung von Transuranelementen in einem Kernreaktor erfolgt nach folgenden Schemata:

235 U + n → 236 U + n → 237 U → (7 Tage) → 237 Np + n → 238 Np → (2,1 Tage) → 238 Pu

238 U + n → 239 U →(23 min)→ 239 Np →(2,3 Tage)→ 239 Pu (+Fragmente) + n → 240 Pu + n → 241 Pu (+Fragmente) + n → 242 Pu + n → 243 Pu →(5 h)→ 243 Am + n → 244 Am →(26 min)→ 244 Cm

Die Zeit zwischen den Pfeilen bezeichnet die Halbwertszeit, „+n“ bezeichnet die Neutronenabsorption.

Zu Beginn des Reaktorbetriebs kommt es zu einer linearen Anreicherung von 239 Pu, wobei die Urananreicherung umso geringer ist, je schneller (bei einem festen Abbrand von 235 U). Darüber hinaus tendiert die Konzentration von 239 Pu dazu konstanter Wert, die nicht vom Anreicherungsgrad abhängt, sondern durch das Verhältnis der Neutroneneinfangquerschnitte von 238 U und 239 Pu bestimmt wird. Charakteristische Zeit Etablierung einer Gleichgewichtskonzentration von 239 Pu ˜ 3/F yr (F in Einheiten von 1013 Neutronen/cm 2 ×sec). Die Isotope 240 Pu und 241 Pu erreichen Gleichgewichtskonzentrationen nur, wenn der Brennstoff nach der Regeneration des Kernbrennstoffs in einem Kernreaktor erneut verbrannt wird.

Der Kernbrennstoffabbrand wird durch die Gesamtenergie charakterisiert, die pro Brennstoff im Reaktor freigesetzt wird. Dieser Wert ist:

˜ 10 GW Tag/t – Schwerwasserreaktoren;

˜ 20–30 GW Tag/t – Reaktoren, die schwach angereichertes Uran (2–3 % 235U) verwenden;

bis zu 100 GW Tag/t – schnelle Neutronenreaktoren.

Ein Abbrand von 1 GW Tag/t entspricht der Verbrennung von 0,1 % Kernbrennstoff.

Wenn der Brennstoff ausbrennt, nimmt die Reaktivität des Reaktors ab. Der Austausch des verbrannten Brennstoffs erfolgt sofort aus dem gesamten Kern oder schrittweise, wobei Brennstäbe unterschiedlichen „Alters“ in Betrieb bleiben. Dieser Modus wird als kontinuierliches Auftanken bezeichnet.

Im Falle eines vollständigen Brennstoffwechsels weist der Reaktor eine überschüssige Reaktivität auf, die ausgeglichen werden muss, während im zweiten Fall ein Ausgleich nur beim ersten Start des Reaktors erforderlich ist. Durch kontinuierliche Überladung ist es möglich, die Abbrandtiefe zu erhöhen, da die Reaktivität des Reaktors durch die durchschnittlichen Konzentrationen spaltbarer Isotope bestimmt wird.

Die Masse des geladenen Kraftstoffs übersteigt aufgrund des „Gewichts“ der freigesetzten Energie die Masse des entladenen Kraftstoffs. Nach dem Abschalten des Reaktors, zunächst hauptsächlich aufgrund der Spaltung durch verzögerte Neutronen und dann, nach 1–2 Minuten, aufgrund der β- und γ-Strahlung von Spaltfragmenten und Transuranelementen, setzt sich die Energiefreisetzung im Brennstoff fort. Wenn der Reaktor vor dem Abschalten lange genug gearbeitet hat, beträgt die Energiefreisetzung 2 Minuten nach dem Abschalten etwa 3 %, nach 1 Stunde - 1 %, nach 24 Stunden - 0,4 %, nach einem Jahr - 0,05 %.

Das Verhältnis der Menge der in einem Kernreaktor gebildeten spaltbaren Pu-Isotope zur Menge des verbrannten 235 U wird als Umwandlungskoeffizient KK bezeichnet. Der KK-Wert steigt mit abnehmender Anreicherung und Abbrand. Für einen Schwerwasserreaktor mit natürlichem Uran gilt bei einem Abbrand von 10 GW Tag/t KK = 0,55 und bei kleinen Abbränden (in diesem Fall wird KK als anfänglicher Plutoniumkoeffizient bezeichnet) KK = 0,8. Wenn ein Kernreaktor brennt und die gleichen Isotope produziert (Brüterreaktor), dann wird das Verhältnis der Brutrate zur Abbrandrate als Brutfaktor KB bezeichnet. In Kernreaktoren werden thermische Neutronen KV verwendet< 1, а для реакторов на быстрых нейтронах КВ может достигать 1,4—1,5. Рост КВ для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов g растёт, а а падает.

Steuerung von Kernreaktoren

Ein Kernreaktor kann nur dann lange mit einer bestimmten Leistung betrieben werden, wenn er zu Beginn des Betriebs über eine Reaktivitätsreserve verfügt. Die im Reaktor ablaufenden Prozesse führen zu einer Verschlechterung der Vermehrungseigenschaften des Mediums und ohne einen Mechanismus zur Wiederherstellung der Reaktivität wäre der Reaktor nicht einmal für kurze Zeit betriebsfähig. Die anfängliche Reaktivitätsreserve wird durch die Konstruktion eines Kerns mit Abmessungen geschaffen, die die kritischen Abmessungen deutlich überschreiten. Um zu verhindern, dass der Reaktor überkritisch wird, werden neutronenabsorbierende Substanzen in den Kern eingebracht. Absorber sind Teil des Materials von Steuerstäben, die sich entlang der entsprechenden Kanäle im Kern bewegen. Wenn außerdem nur wenige Stäbe zur Regulierung ausreichen, kann die Anzahl der Stäbe Hunderte erreichen, um die anfängliche überschüssige Reaktivität auszugleichen. Ausgleichsstäbe werden nach und nach aus dem Reaktorkern entfernt und sorgen so während der gesamten Betriebszeit für einen kritischen Zustand. Eine Abbrandkompensation kann auch durch den Einsatz spezieller Absorber erreicht werden, deren Wirksamkeit beim Einfangen von Neutronen (Cd, B, Seltenerdelemente) oder Lösungen absorbierender Stoffe im Moderator abnimmt.

Die Steuerung eines Kernreaktors wird dadurch vereinfacht, dass bei der Spaltung ein Teil der Neutronen mit einer Verzögerung von 0,2 bis 55 Sekunden aus den Bruchstücken herausfliegt. Dadurch ändern sich der Neutronenfluss und damit auch die Leistung recht gleichmäßig, sodass Zeit bleibt, eine Entscheidung zu treffen und den Zustand des Reaktors von außen zu ändern.

Ein Kontroll- und Schutzsystem (CPS) dient zur Steuerung eines Kernreaktors. CPS-Gremien sind unterteilt in:

Notfall, Verringerung der Reaktivität (Einführung negativer Reaktivität in den Reaktor), wenn Notfallsignale auftreten;

Automatische Regler, die einen konstanten Neutronenfluss F (d. h. Ausgangsleistung) aufrechterhalten;

Kompensierend, dient dem Ausgleich von Vergiftungen, Burnout, Temperatureinflüssen.

In den meisten Fällen werden zur Steuerung des Reaktors Stäbe verwendet, die in den Kern eingeführt werden und aus Materialien bestehen, die Neutronen stark absorbieren (Cd, B usw.). Die Bewegung der Stäbe wird durch spezielle Mechanismen gesteuert, die auf Signalen von Geräten basieren, die auf die Größe des Neutronenflusses reagieren.

Bei Reaktoren mit negativem Temperaturkoeffizienten der Reaktivität (r nimmt mit steigender Temperatur ab) wird die Bedienung der Steuerstäbe deutlich vereinfacht.

Basierend auf Informationen über den Zustand des Reaktors generiert ein spezieller Computerkomplex Empfehlungen für den Betreiber, den Zustand des Reaktors zu ändern, oder in bestimmten Grenzen wird der Reaktor ohne Beteiligung des Betreibers gesteuert.

Für den Fall einer unvorhergesehenen katastrophalen Entwicklung einer Kettenreaktion verfügt jeder Reaktor über eine Notabschaltung der Kettenreaktion, die durch das Einwerfen spezieller Notstangen oder Sicherheitsstangen in den Kern erfolgt – ein Notfallschutzsystem.

Eine Spaltkettenreaktion geht immer mit der Freisetzung enormer Energie einher. Praktischer Nutzen Diese Energie ist die Hauptaufgabe eines Kernreaktors.

Ein Kernreaktor ist ein Gerät, in dem eine kontrollierte oder kontrollierte Kernspaltungsreaktion stattfindet.

Basierend auf dem Funktionsprinzip werden Kernreaktoren in zwei Gruppen eingeteilt: thermische Neutronenreaktoren und schnelle Neutronenreaktoren.

Wie funktioniert ein Kernreaktor mit thermischen Neutronen?

Ein typischer Kernreaktor verfügt über:

• Kern und Moderator;
• Neutronenreflektor;
• Kühlmittel;
• Kettenreaktionskontrollsystem, Notfallschutz;
• Kontroll- und Strahlenschutzsystem;
• Fernbedienungssystem.

1 - aktive Zone; 2 - Reflektor; 3 - Schutz; 4 - Steuerstäbe; 5 - Kühlmittel; 6 - Pumpen; 7 - Wärmetauscher; 8 - Turbine; 9 - Generator; 10 - Kondensator.

Kern und Moderator

Im Kern findet eine kontrollierte Spaltungskettenreaktion statt.

Die meisten Kernreaktoren werden mit schweren Isotopen von Uran-235 betrieben. In natürlichen Uranerzproben beträgt sein Gehalt jedoch nur 0,72 %. Diese Konzentration reicht nicht aus, um eine Kettenreaktion auszulösen. Daher wird das Erz künstlich angereichert, sodass der Gehalt dieses Isotops auf 3 % steigt.

Spaltbares Material oder Kernbrennstoff wird in Form von Tabletten in hermetisch verschlossene Stäbe, sogenannte Brennstäbe (Brennelemente), eingefüllt. Sie durchdringen die gesamte aktive Zone, gefüllt mit Moderator Neutronen.

Warum wird in einem Kernreaktor ein Neutronenmoderator benötigt?

Tatsache ist, dass die nach dem Zerfall von Uran-235-Kernen entstehenden Neutronen eine sehr hohe Geschwindigkeit haben. Die Wahrscheinlichkeit, dass sie von anderen Urankernen eingefangen werden, ist hundertmal geringer als die Wahrscheinlichkeit, dass langsame Neutronen eingefangen werden. Und wenn ihre Geschwindigkeit nicht verringert wird, kann die Kernreaktion mit der Zeit absterben. Der Moderator löst das Problem der Reduzierung der Neutronengeschwindigkeit. Bringt man schnellen Neutronen Wasser oder Graphit in den Weg, kann deren Geschwindigkeit künstlich verringert und so die Zahl der von Atomen eingefangenen Teilchen erhöht werden. Gleichzeitig wird für eine Kettenreaktion im Reaktor weniger Kernbrennstoff benötigt.

Als Folge des Verlangsamungsprozesses thermische Neutronen, dessen Geschwindigkeit nahezu der Geschwindigkeit der thermischen Bewegung von Gasmolekülen bei Raumtemperatur entspricht.

Als Moderator in Kernreaktoren werden Wasser, schweres Wasser (Deuteriumoxid D 2 O), Beryllium und Graphit verwendet. Der beste Moderator ist jedoch schweres Wasser D2O.

Neutronenreflektor

Um den Austritt von Neutronen in die Umwelt zu vermeiden, ist der Kern eines Kernreaktors umgeben Neutronenreflektor. Bei Reflektoren wird oft das gleiche Material wie bei Moderatoren verwendet.

Kühlmittel

Die dabei freigesetzte Wärme Kernreaktion, wird mit einem Kühlmittel entfernt. In Kernreaktoren wird häufig herkömmliches Wasser als Kühlmittel verwendet. Natürliches Wasser, zuvor von verschiedenen Verunreinigungen und Gasen gereinigt. Da Wasser jedoch bereits bei einer Temperatur von 100 0 C und einem Druck von 1 atm siedet, wird zur Erhöhung des Siedepunkts der Druck im primären Kühlmittelkreislauf erhöht. Das durch den Reaktorkern zirkulierende Wasser des Primärkreislaufs wäscht die Brennstäbe und erwärmt sich dabei auf eine Temperatur von 320 °C. Anschließend gibt es im Wärmetauscher Wärme an das Wasser des Sekundärkreislaufs ab. Der Austausch erfolgt über Wärmetauscherrohre, sodass kein Kontakt mit dem Sekundärkreislaufwasser besteht. Dadurch wird ein Schlagen verhindert radioaktive Substanzen in den zweiten Kreislauf des Wärmetauschers.

Und dann passiert alles wie in einem Wärmekraftwerk. Wasser im zweiten Kreislauf wird in Dampf umgewandelt. Der Dampf dreht eine Turbine, die einen elektrischen Generator antreibt, der erzeugt elektrischer Strom.

In Schwerwasserreaktoren ist das Kühlmittel schweres Wasser D2O und in Reaktoren mit flüssigen Metallkühlmitteln ist es geschmolzenes Metall.

Kettenreaktionskontrollsystem

Der aktuelle Zustand des Reaktors wird durch eine Größe charakterisiert Reaktivität.

ρ = ( k -1)/ k ,

k = n ich / n i -1 ,

Wo k – Neutronenmultiplikationsfaktor,

n i - die Anzahl der Neutronen der nächsten Generation bei der Kernspaltungsreaktion,

n i -1 , - die Anzahl der Neutronen der vorherigen Generation in derselben Reaktion.

Wenn k ˃ 1 , die Kettenreaktion wächst, das System heißt überkritisch j. Wenn k< 1 , die Kettenreaktion erlischt und das System wird aufgerufen unterkritisch. Bei k = 1 Der Reaktor ist drin stabiler kritischer Zustand, da sich die Anzahl der spaltbaren Kerne nicht ändert. In diesem Zustand Reaktivität ρ = 0 .

Der kritische Zustand des Reaktors (der erforderliche Neutronenvervielfachungsfaktor in einem Kernreaktor) wird durch Bewegung aufrechterhalten Kontrollstäbe. Das Material, aus dem sie hergestellt sind, enthält neutronenabsorbierende Substanzen. Durch Ausfahren oder Einschieben dieser Stäbe in den Kern wird die Geschwindigkeit der Kernspaltungsreaktion gesteuert.

Das Steuerungssystem ermöglicht die Steuerung des Reaktors während des Anlaufs, der geplanten Abschaltung, des Betriebs unter Strom sowie des Notfallschutzes des Kernreaktors. Dies wird durch eine Veränderung der Position der Steuerstäbe erreicht.

Wenn einer der Reaktorparameter (Temperatur, Druck, Leistungsanstiegsgeschwindigkeit, Brennstoffverbrauch usw.) von der Norm abweicht, kann dies zu einem besonderen Unfall führen Notstangen und die Kernreaktion hört schnell auf.

Stellen Sie sicher, dass die Reaktorparameter den Standards entsprechen Kontroll- und Strahlenschutzsysteme.

Für die Wache Umfeld Zum Schutz vor radioaktiver Strahlung wird der Reaktor in eine dicke Betonhülle eingebaut.

Fernbedienungssysteme

Alle Signale über den Zustand des Kernreaktors (Kühlmitteltemperatur, Strahlungsniveau in verschiedene Teile(Reaktor usw.) gelangen in die Reaktorschalttafel und werden dort verarbeitet Computersysteme. Der Betreiber erhält alle notwendigen Informationen und Empfehlungen zur Beseitigung bestimmter Abweichungen.

Schnelle Reaktoren

Der Unterschied zwischen Reaktoren dieses Typs und thermischen Neutronenreaktoren besteht darin, dass schnelle Neutronen, die nach dem Zerfall von Uran-235 entstehen, nicht abgebremst, sondern von Uran-238 absorbiert und anschließend in Plutonium-239 umgewandelt werden. Daher werden schnelle Neutronenreaktoren zur Erzeugung von waffenfähigem Plutonium-239 und thermischer Energie eingesetzt, die von Kernkraftwerksgeneratoren in elektrische Energie umgewandelt wird.

Der Kernbrennstoff in solchen Reaktoren ist Uran-238 und der Rohstoff ist Uran-235.

In natürlichem Uranerz sind 99,2745 % Uran-238. Wenn ein thermisches Neutron absorbiert wird, spaltet es sich nicht, sondern wird zu einem Isotop von Uran-239.

Einige Zeit nach dem β-Zerfall wandelt sich Uran-239 in einen Neptunium-239-Kern um:

239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 e

Nach dem zweiten β-Zerfall entsteht spaltbares Plutonium-239:

239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e

Und schließlich wird nach dem Alpha-Zerfall des Plutonium-239-Kerns Uran-235 erhalten:

239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 He

Im Reaktorkern befinden sich Brennstäbe mit Rohstoffen (angereichertes Uran-235). Diese Zone ist von einer Brutzone umgeben, die aus Brennstäben mit Brennstoff (abgereichertes Uran-238) besteht. Schnelle Neutronen, die nach dem Zerfall von Uran-235 aus dem Kern emittiert werden, werden von Uran-238-Kernen eingefangen. Dadurch entsteht Plutonium-239. So wird in schnellen Neutronenreaktoren neuer Kernbrennstoff erzeugt.

Flüssige Metalle oder Mischungen davon werden als Kühlmittel in Kernreaktoren für schnelle Neutronen verwendet.

Klassifizierung und Anwendung von Kernreaktoren

Kernreaktoren werden hauptsächlich in Kernkraftwerken eingesetzt. Mit ihrer Hilfe wird elektrische und thermische Energie im industriellen Maßstab erzeugt. Solche Reaktoren werden genannt Energie .

Kernreaktoren werden häufig in den Antriebssystemen moderner Atom-U-Boote, Überwasserschiffe und in der Raumfahrttechnik eingesetzt. Sie versorgen Motoren mit elektrischer Energie und heißen Transportreaktoren .

Für wissenschaftliche Forschung Im Bereich der Kernphysik und Strahlenchemie werden Neutronen- und Gammaquantenflüsse genutzt, die im Kern anfallen Forschungsreaktoren. Die von ihnen erzeugte Energie übersteigt nicht 100 MW und wird nicht für industrielle Zwecke genutzt.

Leistung experimentelle Reaktoren sogar weniger. Sie erreicht einen Wert von nur wenigen kW. Diese Reaktoren werden zur Untersuchung verschiedener verwendet physikalische Quantitäten, deren Bedeutung für die Gestaltung von Kernreaktionen wichtig ist.

ZU Industriereaktoren Dazu gehören Reaktoren zur Herstellung radioaktiver Isotope für medizinische Zwecke sowie in verschiedenen Bereichen der Industrie und Technologie. Meerwasserentsalzungsreaktoren werden auch als Industriereaktoren klassifiziert.

In der Geschichte der Entstehung von Kernreaktoren lassen sich drei Phasen verfolgen. Im ersten Schritt wurden die notwendigen und ausreichenden Bedingungen für das Auftreten einer sich selbst erhaltenden Kettenreaktion der Kernspaltung ermittelt. Im zweiten Schritt wurden alle physikalischen Effekte ermittelt, die das Auftreten einer selbsterhaltenden Kettenreaktion der Kernspaltung fördern und behindern, d. h. Beschleunigung und Verlangsamung dieses Prozesses. Und schließlich wurden quantitative Berechnungen zur Auslegung des Reaktors und den darin ablaufenden Prozessen durchgeführt.

Die Schaffung von Kernreaktoren war eine Lösung für eine der wesentlichen Aufgaben des allgemeinen Atomproblems.

Der weltweit erste Reaktor, CP-1 (Chicago Physics), wurde von E. Fermi in Zusammenarbeit mit Anderson, Zinn, L. Woods und J. Weil entworfen und gebaut und befand sich in der Tennishalle unter den Tribünen der University of Chicago Stadion. Der Reaktor wurde am 2. Dezember 1942 mit einer anfänglichen Auslegungsleistung von 0,5 W in Betrieb genommen. Der erste Uranreaktor SR-1 war mangels Uran in reiner Form mit 6 Tonnen Uranmetall und einer bestimmten (nicht genau bekannten) Menge Uranoxid beladen.

Der Reaktor sollte eine Kugelform haben und bestand aus horizontalen Schichten aus Blockgraphit, die sich zwischen ähnlichen Schichten abwechselnder Blöcke aus Graphit und Uran befanden und durch Luft gekühlt wurden. Der kritische Zustand des Reaktors, in dem der Verlust an Neutronen durch deren Produktion (Erzeugung) ausgeglichen wurde, wurde erreicht, als die Kugel zu drei Vierteln gefüllt war, wodurch der Reaktor nie erhielt Finale Form der richtige Ball.

Nach 12 Tagen wurde die Leistung auf 200 W erhöht und eine weitere Leistungssteigerung wurde aufgrund der von der Anlage erzeugten Energie als riskant angesehen gefährliche Strahlung. Der Reaktor wurde außerhalb der Stadt zum Argonne-Labor verlegt, wo er wieder zusammengebaut und mit einem Schutzschild ausgestattet wurde.

Der Reaktor wurde manuell mithilfe von Cadmiumstäben gesteuert, die überschüssige Neutronen absorbierten und sich in speziellen Kanälen befanden. Zusätzlich waren zwei Notstangen und eine automatische Steuerstange vorgesehen.

Die erste Pilotanlage ermöglichte eine experimentelle Untersuchung des Plutoniumproduktionsprozesses, was zu den Schlussfolgerungen führte, die diese Methode liefert echte Chance seine Produktion in ausreichenden Mengen, um etwas zu schaffen Atombombe. Im Jahr 1943 wurde am Argonne National Laboratory for experimentelle Forschung Es wurde genau der gleiche Reaktor SR-2 gebaut (Abb. 17.1), jedoch mit einer kritischen Größe in Würfelform, und 1944 ein weiterer Reaktor SR-3 (Abb. 17.2), in dem schweres Wasser als Moderator diente. Dadurch war es möglich, die Größe des Reaktors im Vergleich zu den Vorgängermodellen deutlich zu reduzieren.

Aufgrund des fehlenden Kühlsystems betrug die maximale sichere Leistung des Reaktors 200 W, kurzzeitig konnte die Leistung jedoch auf 100 kW gesteigert werden. Der Reaktor verwendete fünf 5,6 m lange Steuerstäbe aus mit Cadmium beschichteter Bronze. Drei dieser Stäbe waren Notstäbe, ein Stab diente der Grobeinstellung und ein anderer der Feineinstellung des Neutronenflusses und der Reaktorleistung.

Ende 1945 begann in Moskau auf dem Territorium des Labors Nr. 2 der Akademie der Wissenschaften der UdSSR der Bau eines Gebäudes für den physikalischen Reaktor F-1 und Anfang 1946 der Entwurf des ersten Der Bau eines Industriereaktors und der dazugehörigen Plutoniumanlage in Tscheljabinsk-40 begann. Im Dezember 1946 wurde im Uran-Graphit-Forschungsreaktor F-1 unter der Leitung von I.V. Kurtschatow war der erste in Europa, der eine sich selbst tragende Kettenreaktion durchführte. Der Start des F-1-Reaktors, der noch immer der Wissenschaft dient, ermöglichte die Messung der notwendigen Kernkonstanten, die Auswahl des optimalen Designs des ersten Industriereaktors sowie die Untersuchung von Fragen der Regulierung und Strahlensicherheit.

Zur Geschichte der Physik des 20. Jahrhunderts gehörte auch der erste Kernreaktor Europas, der in der UdSSR gebaut und von I.V. persönlich getestet wurde. Kurtschatow im Dezember 1946. Seine Leistung erreichte bereits 4000 kW, was es ermöglichte, auf der Grundlage der gesammelten Erfahrungen Industriereaktoren zu bauen. Der Reaktor selbst befand sich in einer Betongrube, auf deren Boden acht Lagen Graphitstäbe verlegt waren. Darüber wurden Schichten mit Löchern gelegt, in die Uranblöcke eingesetzt wurden. Es wurden auch drei Kanäle für Cadmiumstäbe hergestellt, um die Reaktion und ihre Reaktionen zu steuern Not-Halt und eine Reihe horizontaler Kanäle verschiedene Formen und Größen für Messinstrumente und experimentelle Zwecke. Die Gesamtzahl der Schichten aus Graphitstäben betrug zweiundsechzig.

Im Jahr 1947 gelang es diesem Reaktor, die ersten Mengen Plutonium zu produzieren, das in der Natur nicht vorkommt und wie Uran ein Kernbrennstoff ist, und zwar in ausreichenden Mengen, um die grundlegenden physikalischen Eigenschaften seines Kerns zu untersuchen. Der erste Industriereaktor in der UdSSR zur Herstellung von Plutonium wurde im Juni 1948 von Kurtschatow in Betrieb genommen.

Mitte der 40er Jahre des 20. Jahrhunderts wurde das Los Alamos Scientific Laboratory (USA) mit der Entwicklung eines experimentellen schnellen Reaktors mit Plutoniumbrennstoff beauftragt, der die Möglichkeit der Stromerzeugung demonstrieren sollte. Dieser Reaktor namens Clementine hatte ein Kernvolumen von 2,5 Litern Plutoniummetall und wurde mit Quecksilber gekühlt. Mit der Montage des Reaktors wurde 1946 begonnen, die Kritikalität wurde im November 1946 erreicht. Die Inbetriebnahme erfolgte im März 1949. Der Reaktor arbeitete mit einer Leistung von 25 kW (th).

Im Rahmen des Manhattan-Projekts (einem geheimen Plan zur Herstellung einer amerikanischen Bombe) wurden alle Arbeiten zur Trennung von Uranisotopen dem Labor des berühmten amerikanischen Physikers E. Lawrence anvertraut. In seinem Bericht an die US-Regierung im Juli 1941 schrieb Lawrence: „Eine neue und äußerst wichtige Gelegenheit hat sich für die Ausnutzung der Kettenreaktion mit ungetrennten Isotopen [von Uran] eröffnet.“ Offensichtlich könnte eine Kettenreaktion, wenn sie erreicht würde, über einen bestimmten Zeitraum hinweg gezielt durchgeführt werden, um ein Element daraus zu erzeugen Ordnungszahl 94 [Plutonium]... Wenn große Mengen dieses Elements verfügbar wären... wäre es wahrscheinlich möglich, eine Kettenreaktion mit schnellen Neutronen durchzuführen. Bei einer solchen Reaktion würde Energie mit explosiver Geschwindigkeit freigesetzt, und das entsprechende System könnte als „Superbombe“ bezeichnet werden.

Der Clementine-Reaktor war der erste schnelle Neutronenreaktor und auch der erste, der Plutonium-239 als Brennstoff verwendete. Die aktive Zone in Form eines Zylinders mit einer Höhe von 15 cm und einem Durchmesser von 15 cm bestand aus vertikalen Brennstäben in einer Stahlhülle. Natürlich gab es keinen Moderator. Als Reflektor dienten Metalluran und Stahl. Das Quecksilber-Kühlmittel hatte einen vernachlässigbaren Querschnitt zum Einfangen langsamer Neutronen. Der Reaktor wurde über Stäbe gesteuert, die einen Teil des Urans aus dem Reflektor entfernten, da das in thermischen Reaktoren verwendete Bor oder Cadmium für schnelle Reaktoren nicht geeignet ist.

Am Argonne National Laboratory (USA) wurden unabhängig von den beschriebenen Studien Arbeiten zur Schaffung eines experimentellen Brutreaktors für schnelle Neutronen EBR-1 durchgeführt. Das Hauptziel dieses Projekts bestand darin, das Konzept zu testen Kernkraftwerk mit einem schnellen Neutronenreaktor als Antriebseinheit. Mit dem Bau des Reaktors wurde 1951 begonnen, im August 1951 wurde die Kritikalität erreicht. Im Dezember 1951 wurde erstmals elektrischer Strom mit Kernenergie mit einer Reaktorleistung von 200 kW (e) erzeugt. Die Reaktorbrennelemente waren Edelstahlrohre mit hochangereichertem Uranmetall; der Kern wurde gekühlt, indem eine Legierung aus Natrium und Kalium durchgepumpt wurde (Abb. 17.3). Der Reflektor bestand aus zwei Teilen: mehreren Stäben aus natürlichem Uranmetall, die den Kern umgaben, und mehreren keilförmigen Blöcken aus demselben Material. Der Reaktor wurde durch das Einführen und Herausführen von Uranmetallstäben in den externen Reflektor gesteuert.

Der Reaktor erzeugte gleichzeitig die bei der Spaltung unter dem Einfluss schneller Neutronen freigesetzte Energie und reproduzierte das spaltbare Material. Streng genommen muss ein Brutreaktor das gleiche spaltbare Material verwenden, das er produziert, zum Beispiel Plutonium-239 in Reaktoren mit Uran-238 als Ausgangsmaterial für die Produktion von Sekundärbrennstoff (Plutonium). Allerdings wird Uran-235 heute in vielen Reaktoren für schnelle Neutronen als spaltbares Material verwendet. In Reaktoren für schnelle Neutronen sollte das Kühlmittel keine Elemente mit niedriger Massenzahl enthalten, da diese die Neutronen verlangsamen. Eine intensive Wärmeabfuhr aus einem kleinen Kern erfordert ein Kühlmittel mit außergewöhnlich hohen Wärmeabfuhreigenschaften.

Nur ein Stoff – flüssiges Natrium – erfüllt diese Bedingungen.

Die Analyse der Brennstoffmaterialien des EBR-1-Reaktorreflektors nach längerem Betrieb zeigte, dass der erreichte Brutfaktor, d. h. Das Verhältnis der produzierten Plutonium-239-Menge zur verbrauchten Uran-235-Menge liegt etwas über 100 %. Da die Bedingungen im Reaktor nicht ideal waren, ging man davon aus, dass die Züchtung von Plutonium-239 praktisch rentabel sein dürfte. Dies wurde in Großbritannien durch Experimente an einem Reaktor für schnelle Neutronen sehr bestätigt geringer Strom(2 W), bei dem Plutonium-239 als Brennstoff diente. Es wurde festgestellt, dass für jeden Plutoniumkern, der sich spaltet, etwa zwei neu gebildet wurden. Somit ist der Gewinn bei der Reproduktion recht erheblich. Letztendlich sollten solche Reaktoren eine wichtige Rolle im Entwicklungsprogramm der Kernenergie spielen.

In den USA, 30 km von Chicago entfernt, südwestlich der Metropole, liegt das Palos Nature Reserve. Bekannt ist es vor allem durch zwei Objekte, die sich in Red Gate Woods befinden. Der erste ist Standort A.

Dabei handelt es sich um ein 19 Hektar großes Grundstück, auf dem die Überreste des allerersten Kernreaktors der Menschheitsgeschichte liegen. Das zweite ist Grundstück M. Dies ist eine Deponie mit einer Größe von 1.800 Quadratmeter, wo der gesamte Reaktorabfall konzentriert wird.

Chicago Pile-1 oder CP-1 – so nannten die legendären Physiker Leo Szilardo und Enrico Fermi ihre Idee, den ersten Kernreaktor der Welt. Es wurde unter der Überschrift „Top Secret“ im Spätherbst 1942 im Rahmen des Projekts zur Umsetzung der ersten Atombombe der Welt auf dem Gelände der University of Chicago errichtet. Dieses Experiment war nicht erfolgreich und die Bombe explodierte nicht. Aber dank der enormen Anstrengungen, die in die Herstellung der Bombe gesteckt wurden, ist die Menschheit in die Lage geraten neues Zeitalter– das Zeitalter der Atomwaffen.

Die Hülle des Kernreaktors bestand aus einer Masse schwarzer Ziegel und Holzbalken. Es enthielt:
Graphit – wird zur Verlangsamung von Neutronen verwendet. Insgesamt wurden 360 Tonnen Graphit in den Reaktor gegeben;
Uranmetall – 5.400 kg;
Uranoxid – 45.000 kg.
Der Reaktor hatte absolut keinen Schutz. Wissenschaftler erwarteten, dass es mit geringer Leistung arbeiten würde. Es gab auch keinerlei Kühlsystem.
Bald nach seiner Gründung wurde der Reaktor abgebaut und außerhalb der Stadt in das Naturschutzgebiet Palos verlegt. Als es wieder zusammengebaut wurde, erhielt es einen neuen Namen – Chicago Pile-2 oder einfach CP-2.

Der CP-2 hatte mehr Leistung als sein Vorgänger, mehrere Kilowatt, und es wurde ein Strahlungsschild für ihn gebaut. Nach einiger Zeit wurde CP-2 um einen weiteren Reaktor (CP-3) erweitert. Diese beiden Reaktoren waren zehn Jahre lang in Betrieb, bevor sie 1954 abgeschaltet wurden.
Es wurde ein riesiges Loch gegraben, um Kernreaktoren zu begraben. Die gezielte Explosion trug dazu bei, dass CP-2 und CP-3 im Erdinneren in Vergessenheit gerieten. Alle zur Wartung der Reaktoren errichteten Gebäude wurden zerstört und auch begraben. Die Grabstätte war mit Schotter und Erde bedeckt und landschaftlich gestaltet.

Heute ist die Grabstätte anhand von Granitblöcken zu finden. Auf dem ersten steht Standort A, auf dem zweiten Grundstück M.

Im Jahr 2017 Rosatomhat ein Tempo erreicht, das überzeugend beweist, dass in unserem Land eine nukleare Renaissance stattgefunden hat.

Darüber hinaus weitet sich unser Atomprojekt auf immer mehr Länder aus, die an ihrer Entwicklung interessiert sind, denn Atomenergie ist die grundlegende Stromerzeugung, sie ist die Entwicklung von Wissenschaft, Technologie, Medizin und sogar der Landwirtschaft.

Wir können und sollten darüber reden, aber erinnern sich alle daran, wie unser Land zum Weltmarktführer in dieser Branche wurde? Erinnert sich jeder daran, wie alles begann, wer genau das Atom eroberte und beispiellose Technologien von Grund auf entwickelte?

Um zu verstehen, wohin und wie wir uns bewegen, müssen wir uns an den Anfang des Weges erinnern. Analytisches Online-Magazin Geoenergetics.ru Ich habe bereits begonnen, darüber zu sprechen, aber es gab viel mehr Ereignisse und Namen derjenigen, die Pioniere des Atomzeitalters in der UdSSR waren, als in diesem Artikel beschrieben.

Am 25. Dezember 1946 begann im Labor Nr. 2 (dem zukünftigen Kurtschatow-Institut) eine kontrollierte Kettenreaktion in unserem ersten Kernreaktor F-1 – dem „physikalischen Ersten“.

Daraus, wie aus Gogols „Mantel“, sind alle unsere Reaktoren entstanden – Transport und Forschung, „militärisch“ und völlig friedlich.

Erinnern wir uns daran, wer diese Technologien geschaffen hat und wie, wie und durch wen ihre Entwicklung sichergestellt wurde und wie genau die Entwicklung verlief. Durch das Erinnern lernen wir, die neuesten Nachrichten von besser zu verstehen Rosatom, erreichter Entwicklungsstand und Perspektiven.

„Atomprinzipien“

Erinnern wir uns zunächst an die Grundprinzipien und Postulate Kernenergie, die nicht durch Technologie, sondern durch physikalische Gesetze festgelegt sind – ewig und beständig. Es gibt nicht viele davon, sie sind leicht zu merken.

1. Die Grundlage der Kernenergie ist die Kettenreaktion der Spaltung der Kerne von Uran- und Plutoniumatomen. Die Masse der Spaltfragmente ist geringer als die Masse der Mutterkerne; die überschüssige Masse wird in Energie umgewandelt, die wir für unsere eigenen Zwecke nutzen. Der Grund für den Beginn einer Kettenreaktion sind primäre freie Neutronen, die auf ihrem Weg mit den Kernen spaltbarer Elemente kollidieren. Freie Neutronen, die beim Zerfall von Uran- oder Plutoniumkernen entstehen, werden als „sekundär“ bezeichnet. Damit aus einer Reaktion eine Kettenreaktion wird, müssen mindestens genauso viele sekundäre Neutronen wie primäre Neutronen vorhanden sein.


2. Plutonium kommt in der Natur nicht vor, es wird nur im Inneren gebildet Kernreaktor Daher ist die Grundlage der Kernenergie heute Uran;


3. Die Spaltkettenreaktion findet nur in den Kernen des Uranisotops 235 U statt, dessen Anteil im natürlichen Erz 0,7 % beträgt, und 99,3 % der Erzmasse sind das Haupturanisotop 238 U, das nicht an der Kette teilnimmt Reaktion. Sekundäre Neutronen, die bei der Spaltung von Uran-235-Kernen entstehen, haben sehr unterschiedliche Geschwindigkeiten, was in der Atomphysik bedeutet, dass sie „unterschiedliche Energien haben“. Die Analogie ist einfach: Wenn Sie einen Stein auf ein Fenster werfen, fliegen einige der Glassplitter schnell, andere langsam, und es ist unmöglich, genau vorherzusagen, wie sich die einzelnen Splitter verhalten werden;


4. Spaltung von Uran-235-Kernen bei Wechselwirkung mit Neutronen, die sich mit beliebiger Geschwindigkeit bewegen, schnelle Neutronen werden jedoch sehr aktiv von Uran-238-Kernen absorbiert, was zum Stoppen der Kettenreaktion führen kann. Gleichzeitig „schenkt“ Uran-238 langsamen Neutronen keine Beachtung, sodass eine der Hauptaufgaben bei der Umsetzung einer Kettenreaktion die Fähigkeit ist, sekundäre Neutronen zu verlangsamen. Als Moderatoren können schweres oder gewöhnliches Wasser und chemisch reiner Graphit verwendet werden;


5. Damit die Kettenreaktion kontrollierbar ist, müssen nur 2 % mehr sekundäre Neutronen als primäre Neutronen vorhanden sein. Bei zu vielen sekundären Neutronen wächst die Reaktion lawinenartig und gerät außer Kontrolle, das Extremstadium ihrer Entwicklung ist eine Atomexplosion. Die zweite Hauptaufgabe zur Umsetzung einer kontrollierten Kettenreaktion besteht darin, dass der Multiplikationsfaktor freier Neutronen 1,02 nicht überschreiten darf. Dies erfordert Kontroll- und Schutzsysteme.

Hier sind tatsächlich alle grundlegenden Punkte aufgeführt. Um eine Spaltkettenreaktion durchzuführen, benötigt man mehr Uran-235; Damit die Kettenreaktion nicht von selbst abklingt, bedarf es des einen oder anderen Moderators; Um zu verhindern, dass die Kettenreaktion zu heftig wird, bedarf es eines Kontroll- und Schutzsystems. Drei Postulate der Kernenergie, festgelegt durch die Naturgesetze, die Gesetze der Physik.

NII-9

Der F-1-Reaktor wurde entwickelt, um waffenfähiges Plutonium zu produzieren, sein Isotop 239 Pu – eine Substanz, die bei einer Atomexplosion deutlich mehr Energie erzeugt als Uran-235.

Dieses Isotop entsteht durch den Einfang eines freien Neutrons durch Uran-238; Einfangreaktionen finden kontinuierlich statt, aber Plutonium-239 kann unter dem Einfluss freier Neutronen seine eigene Spaltkettenreaktion starten. Um dies zu verhindern, müssen Sie lernen, den Zeitpunkt zu bestimmen, an dem eine erhebliche Menge an Plutonium-239-Atomen erzeugt wurde, deren Kettenreaktion jedoch noch nicht begonnen hat.

Das Design des F-1 ließ die Möglichkeit zu, Uranblöcke buchstäblich zum richtigen Zeitpunkt herauszureißen und sie anschließend zu „chemischen Verfahren“ zu schicken, um Plutonium-239 von anderen Chemikalien zu trennen.

Im Dezember 1947 erlangte die Gruppe von Zinaida Ershova erstmals 73 Mikrogramm Plutonium-239. Dies war ein Beweis dafür, dass F-1 es ermöglichte, waffenfähiges Plutonium zu gewinnen, das die Ladung für unsere erste Atombombe werden sollte. Es war jedoch offensichtlich, dass diese Menge an Plutonium-239 zu gering war – für die Ladung waren mindestens 6 kg dieses gewaltigen Elements erforderlich.

Bedienfeld des ersten russischen Kernreaktors, Foto: ru.wikipedia.org

„Ende 1945 begann man mit der Produktion von Uran und Graphit in der erforderlichen Qualität und in benötigte Volumina” – wir erinnerten uns bereits an diesen Satz und begannen sogar, ihn zu entziffern.

Der Bau eines Atomreaktors war nur ein Teil der riesigen Menge an Problemen, die gelöst werden mussten, um unsere erste Atombombe zu bauen. In der UdSSR hatten sie vor Kriegsbeginn keine Zeit, alle mit Uran verbundenen Probleme zu untersuchen – jetzt mussten sie dies in kürzester Zeit tun, da ausländische Geheimdienste Informationen darüber erhielten, dass die Vereinigten Staaten neue Pläne vorbereiteten denn die Atombombenangriffe auf unser Land wurden kontinuierlich empfangen.

Wie man Uranerze findet, wie man die Arbeit von Bergbau- und Verarbeitungsanlagen organisiert, wie man den Gehalt an Uran-235 erhöht, wie man Plutonium isoliert, wie man daraus ein Metall macht, welche Eigenschaften dieses Metall hat – Hunderte davon Fragen, Hunderte von Problemen, die von Grund auf gelöst werden mussten.

Wir hören oft „unglaublich wahre“ Geschichten über Lawrenti Beria, aber die Fakten sprechen von einem ganz anderen Gesicht des Leiters des Sonderausschusses.

Zinaida Ershova, die „russische Madame Curie“, ergriff die Initiative, ein wissenschaftliches Zentrum zu schaffen, um alle oben genannten Probleme zu lösen – Lawrenty Pawlowitsch „griff den Trick an“. Am 8. Dezember 1944 wurde ein Dekret des Landesverteidigungsausschusses erlassen ( Staatskomitee Verteidigung) „Über Maßnahmen zur Sicherstellung der Entwicklung des Bergbaus und der Verarbeitung Uranerze„, so einer der Punkte, mit denen die Gründung eines Uranforschungsinstituts in der Struktur des NKWD begann.

Der Name, den sie ihm gaben, hatte natürlich keine Bedeutung: „Institut für Sondermetalle des NKWD“, in dem Zinaida Ershova die Leiterin des radiochemischen Labors übernahm. Die Leitung des neuen Instituts wurde Viktor Borisowitsch Schewtschenko, einem Ingenieur-Oberst des NKWD, übertragen.

Ein tyrannischer Satrap, ein böser Aufseher der Wissenschaftler? Viktor Schewtschenko ist Absolvent des Moskauer Instituts für Nichteisenmetalle und -legierungen, der am selben Institut zwei Jahre lang als stellvertretender Direktor für wissenschaftliche Arbeit, Doktor der technischen Wissenschaften, arbeitete und während des Krieges Chefingenieur des Norilsker Kupferwerks war -Nickelanlage. Viktor Shevchenko hat die gesamte organisatorische Arbeit zur Gründung eines neuen Forschungsinstituts „herausgezogen“, was ihn jedoch nicht davon abhielt, ein brillanter professioneller Metallurge zu sein.

War es in jenen Jahren möglich, den NKWD von der wissenschaftlichen Arbeit des Sonderausschusses zu trennen? Unserer Meinung nach ist es unmöglich.

Ende 1945 organisierte Schewtschenko am NII-9 das Labor Nr. 12, das mit der Schaffung einer industriellen Schwerwasserproduktion betraut war. Max Vollmer, der zuvor Direktor des Instituts für Physikalische Chemie in Berlin gewesen war, verspürte den unerwarteten Wunsch, ihre Arbeit zu betreuen.

Als die Professoren von dieser Entscheidung erfuhren, äußerten sie den aktiven Wunsch, mit ihm, dem Doktor der Wissenschaften V.K., zusammenzuarbeiten. Beierl und G.A. Richtel.

Das „Labor der gefangenen Deutschen“ arbeitete erfolgreich, 1955 nahm die Schwerwasserproduktionsanlage ihren Betrieb auf und Genosse Max Vollmer kehrte nach Berlin zurück, um die Arbeit der Akademie der Wissenschaften der Deutschen Demokratischen Republik zu leiten. Versuchen Sie hier anhand dieses Beispiels, den NKWD unabhängig voneinander zu trennen wissenschaftliche Arbeit, wenn Sie wünschen.

Andrey Anatolyevich Bochvar

Durch die Bemühungen von Viktor Schewtschenko wurde der Bau der ersten Gebäude des Instituts Ende 1945 abgeschlossen; der 27. Dezember ist der offizielle Geburtstag des High-Tech-Forschungsinstituts für anorganische Materialien, VNIIIM, das heute den Namen trägt Andrej Anatoljewitsch Bowtschar.

Mitte 1946 hatte NII-9 bereits mehr als eineinhalbtausend Mitarbeiter, 13 Labore, Pilotproduktionsanlagen in Moskau und Elektrostal sowie eine Niederlassung in Leningrad. War es möglich, ein solches Institut in einem solchen Tempo ohne die Hilfe des NKWD zu organisieren? Die Frage ist rhetorischer Natur.

A.A. Bochvar

Im Jahr 1946 lud Kurchatov den besten Metallurgen des Landes, Andrei Anatolyevich Bochvar, ein, am Atomprojekt teilzunehmen. Andrei Bovchar, der Sohn des Gründers der Moskauer Schule für Metallurgie, der im Alter von 33 Jahren der erste Doktor dieser Wissenschaft in der Union war, hat 1946 so viel in der Wissenschaft und in der Entwicklung der Nichteisenmetallurgie des Landes erreicht würde für zwei Biografien reichen.

Anhand seiner Lehrbücher bereiteten sich mehrere Generationen unserer Metallurgen auf die Arbeit vor; das von ihm entwickelte Verfahren des Formgusses mit Kristallisation unter Druck war während des Krieges im Flugzeugbau gefragt; 1945 entdeckte Andrei Anatoljewitsch das Phänomen der Superplastizität von Legierungen. Es klingt kompliziert, aber zu erklären, was diese Entdeckung bewirkt, ist einfach.

Aus Blechen aus Bochvar-Stahl können Sie unter leichtem Druck Teile mit den komplexesten Formen blasen – so wie es Glasbläser in ihren Werkstätten tun. Keine Schweißnähte, keine Nieten mit Bolzen – Kugeln und Halbkugeln, komplexeste Formen, diese Methode wird auch heute noch angewendet.

Im Jahr 1946 wurde Bochvar zum ordentlichen Mitglied der Akademie der Wissenschaften gewählt – mit solchen Insignien und Verdiensten hatte er jedes Recht, sich in „hoher Wissenschaft“ und Lehrtätigkeit zu engagieren, reagierte jedoch sofort auf Kurtschatows Vorschlag. Die Bedeutung der Arbeit und gleichzeitig die Möglichkeit, der Begründer der Metallwissenschaft der Kernmaterialien zu werden – ein echter Wissenschaftler konnte nicht anders, als an unserem Atomprojekt teilzunehmen.

Im Jahr 1946 leitete Bochvar das Labor „B“ am NII-9 – ein Name, an den man sich nicht oft erinnert, dessen Bedeutung für unser Atomprojekt und insbesondere für die Kernenergie jedoch nicht hoch genug eingeschätzt werden kann. Die Liste der Entwicklungen und Entdeckungen, die von den Mitarbeitern des Labors „B“ unter der Leitung von Andrei Bovchar gemacht wurden, ist so beeindruckend, dass wir sie nicht in diesen Artikel aufnehmen.

Wenn wir über atomare und thermonukleare Waffen sprechen, dann sagen wir es kurz: Ohne die Arbeit von Andrei Bovchar wäre es unmöglich gewesen, die eine oder andere zu schaffen.

Alles, was aus metallischem Plutonium hergestellt wird, ist sein Verdienst, ausgezeichnet mit zwei Sternen des Helden der sozialistischen Arbeit und des Stalin-Preises. Auch die Errichtung des ersten industriellen Kernreaktors wäre ohne seine Beteiligung nicht möglich gewesen.

A-1-Reaktordesign

Der F-1-Reaktor wurde geschaffen, damit Wissenschaftler die Möglichkeit einer kontrollierten Spaltkettenreaktion überprüfen konnten. F-1 hatte kein Kühlsystem; um Plutonium zu produzieren, wurde es auf eine Leistung von fast 4 MW gebracht, aber in diesem Modus konnte es nur wenige Minuten betrieben werden – die Reaktion musste gestoppt werden, um den Reaktor zu kühlen Verwendung von Ventilatoren.

Der F-1 hatte keinen biologischen Schutz – er wurde ferngesteuert und sammelte die für seine Entwicklung erforderlichen Daten. Der experimentell gemessene Neutronenmultiplikationsfaktor für F-1 betrug 1,00075. Dies war tatsächlich die Beschreibung der Probleme, die beim Bau eines Industriereaktors gelöst werden mussten.

Es wurde mehr Uran benötigt – dies sorgte für eine Steigerung der produzierten Plutonium-239-Menge. Der Reaktor benötigte einen biologischen Schutz, um die vollständige Sicherheit des Personals zu gewährleisten. Der Reaktor benötigte ein Kühlsystem, damit der Modus „eine halbe Stunde Betrieb + mehrere Stunden Lüfterbetrieb“ entfiel.

Auch eine industrielle Verarbeitung von Uranblöcken war erforderlich – nicht im Labormaßstab, sondern im Fabrikmaßstab. Bitte beachten Sie, dass sowohl F-1 als auch A-1 natürliches Uran verwendeten, das nicht mit dem Isotop-235-Gehalt angereichert war. Die Entwicklung der Anreicherungstechnologie war noch nicht abgeschlossen und es bestand kein dringender Bedarf dafür – das Ziel war die Gewinnung von Plutonium-239.

Fotos, Zeichnungen, Zeichnungen von Kernreaktoren tauchen nicht selten auf den Seiten der Medien auf, Reaktoren werden zu „Helden“ von Dokumentarfilmen – Sie, liebe Leser, sind diesen Bildern wahrscheinlich schon mehr als einmal begegnet.

In allen ist der Reaktor vertikal angeordnet – Brennelemente und Brennstäbe, Steuer- und Schutzstäbe sind von oben nach unten gerichtet, Kühlmittel bewegt sich von unten nach oben. Eine einfache Frage: Wenn die F-1 ein horizontales Design hatte, wann und warum erschien dann das vertikale Design?

Diese für uns mittlerweile völlig natürliche Veränderung ist die „Idee“ eines bemerkenswerten Wissenschaftlers, Designers, Ingenieurs mit Großbuchstaben, dem wir einen großen Teil der Entwicklung der Kernenergie verdanken.

Nikolai Antonovich Dollezhal, den viele Enzyklopädien als „Energiewissenschaftler und Konstrukteur von Kernreaktoren“ bezeichnen. Das ist natürlich wahr, aber das ist nur ein Teil der Wahrheit – Enzyklopädien überspringen bekanntermaßen die ersten 50 Lebensjahre dieses erstaunlichen Mannes.

Chefdesigner

Nikolai Antonovich wurde 1899 in der Familie des Eisenbahningenieurs Anton Ferdinandovich Dollezhal (tschechischer Herkunft) geboren, seit 1912 ließ sich die Familie in Podolsk nieder. Nach der eigentlichen Schule trat Nikolai 1917 in die mechanische Fakultät der Moskauer Höheren Technischen Universität ein.

Nikolais Vater war davon überzeugt, dass sein Sohn ohne die Arbeit mit den Händen und ohne Gespür für Metall kein richtiger Ingenieur werden würde, und so arbeitete Nikolai ohne Unterbrechung seines Studiums im Depot, in der Lokomotivreparaturfabrik und an seinem Entwurf Büro. 1923 erhielt er ein Diplom, die nächsten fünf Jahre arbeitete er in Designorganisationen, 1929-1930 absolvierte er ein Praktikum bei europäische Länder, woraufhin gegen ihn anderthalb Jahre lang ermittelt wurde – man suchte nach seinen Verbindungen zur Industrial Party.

Sie suchten, fanden aber nichts, und bereits 1932 übernahm Nikolai Dollezhal den Posten des stellvertretenden Chefingenieurs des OKB Nr. 8 technische Abteilung OGPU, 1933 wurde er stellvertretender Direktor der technischen Abteilung von Giproazotmash und gleichzeitig Leiter der Abteilung für Chemieingenieurwesen am Leningrader Polytechnischen Institut.

So verlief die Karriere des Designers – Dollezhal war Chefingenieur des bolschewistischen Werks Glavkhimmash und Uralmash, das sich damals gerade im Bau befand. Wärmekrafttechnik, Kompressorentechnik, chemische Industrie- Ein solches Spektrum war nur einem Spezialisten mit enormem Wissen, mit der Denkweise eines Erfinders und dem „eingebauten“ Wunsch zugänglich, die gefundenen Lösungen zu verbessern.

Nikolay Antonovich Dollezhal, Foto: biblioatom.ru

Im Jahr 1943 war es an der Zeit, organisatorisches Geschick unter Beweis zu stellen – Nikolai Antonowitsch leitete das Forschungsinstitut für Chemieingenieurwesen. Dieses Forschungsinstitut hat sich zu einer völlig untypischen wissenschaftlichen Einrichtung entwickelt – unter der Leitung von Dollezhal hat es einen ganzen Komplex von Forschungs- und Designeinheiten entwickelt, und zwar sogar mit sehr seriösen Versuchs- und Produktionsbasen.

Wir haben es selbst entwickelt, selbst entworfen, die ersten Muster selbst getestet und selbst aufgebaut industrielle Produktion- der „Mechanismus“, der 1946 in unserem Atomprojekt erforderlich war. Igor Kurchatov hatte ein gutes Gespür für Spezialisten dieses Niveaus – er war es, der Nikolai Dollezhal im Januar 1946 einlud, an der Arbeit am Entwurf des ersten Industriereaktors mitzuwirken:

"Wir müssen die kürzestmögliche Zeit Erstellen Sie einen Urankessel für den industriellen Einsatz. Sie wissen, wie man auf molekularer Ebene arbeitet – jetzt müssen Sie die atomare Ebene beherrschen.“

Genau ein Monat reichte Nikolai Dollezhal, um vollständig zu verstehen, was Labor Nr. 2 tat – bereits im Februar 1946 schlug er vor, den Reaktor von horizontal auf vertikal zu „erweitern“, und Igor Kurchatov stimmte der Entscheidung des „Atomrekruten“ voll und ganz zu ."

Aber wie bei der Schaffung jedes anderen Komplexes Technisches Equipment, wissenschaftlicher Leiter und der Designer ist nicht alle Spezialisten, die die Entwicklung des Projekts sicherstellen.

Diejenigen unter Ihnen, die mit der industriellen Produktion zu tun haben, können leicht einen anderen Spezialisten nennen, dessen Kompetenz in solchen Fällen erforderlich ist – den Cheftechnologen.

Ihm übergibt der wissenschaftliche Betreuer den technischen Auftrag, auf dessen Grundlage der Technologe gemeinsam mit dem Designer jede Komponente des Komplexes, jeden seiner einzelnen Mechanismen entwickelt und deren Verbindung zu einem Ganzen durchdenkt . Dann, im Januar 1946, traf Igor Kurchatov eine Entscheidung darüber, wem diese wichtige Arbeit anvertraut werden konnte.

Cheftechnologe

Bei dieser Person handelte es sich um Vladimir Iosifovich Merkin, einen 32-jährigen Mitarbeiter des Labors Nr. 2, der trotz seines Alters seit 1944 Leiter des Sektors Nr. 6 war und dort eine der Methoden zur Übertragung der Plutoniumladung entwickelte einer zukünftigen Bombe in einen überkritischen Zustand.

Eine Explosion tritt auf, wenn eine bestimmte Plutoniummasse in einem bestimmten Volumen einen bestimmten kritischen Wert überschreitet, wofür es ausreicht, mehrere Teile des Gefechtskopfs einander anzunähern, von denen jeder eine Masse hat, die kleiner als der kritische Wert ist. Dieser Ansatz muss jedoch mit maximaler Geschwindigkeit erfolgen, damit die Explosion gleichzeitig im gesamten Ladungsvolumen erfolgt.

Ein von mögliche Wege- „Kanone“, wenn zwei Teile einer Plutoniumladung durch speziell berechnete Explosionen buchstäblich aufeinander geschossen werden. Sektor Nr. 6 musste das Problem lösen, diese beiden Hilfsexplosionen mit einer Genauigkeit von 0,0001 Sekunden bei einer Anfangsgeschwindigkeit der fliegenden Teile von 1.500 m/s zu synchronisieren.

Warum wurde Wladimir Merkin mit solch verantwortungsvoller Arbeit betraut? Im Jahr 1939 schloss Merkin sein Studium am Moskauer Institut für Chemieingenieurwesen ab und wurde unmittelbar danach Mitarbeiter von GSPI-3, wo er an der Verbesserung von Nebelwandsystemen zur Tarnung von Marineschiffen arbeitete.

Während des Krieges wurde Wassili Iosifowitsch zum TsKB-114 versetzt, wo er neue Flammenwerfer für die Bedürfnisse der Armee entwickelte. Die Entwicklungen waren erfolgreich – mehrere Arten von Flammenwerfern wurden in die industrielle Produktion übernommen, spielten in den ersten Kriegsjahren eine gewisse Rolle, wofür Merkin 1942 der Stalin-Preis zweiten Grades verliehen wurde.

Direktor des Synthesekautschukwerks V.V. Goncharov, mit dem Merkin sehr eng zusammenarbeitete, empfahl Kurtschatow 1943 einen jungen talentierten Ingenieur. Nach einem Interview mit dem Leiter des Labors Nr. 2 wurde Merkin innerhalb weniger Tage aus der Armee demobilisiert und Igor Wassiljewitsch zur Verfügung gestellt.

Wie viele Spezialisten dieser Zeit gelang es Vladimir Merkin und seinen Mitarbeitern, in kürzester Zeit auf die Lösung völlig neuer Probleme umzusteigen.

Das Projekt des ersten Industriereaktors war für Merkin der Beginn einer langen Reise – unter seiner Führung wurden mehrere weitere Reaktoren zur Herstellung von waffenfähigem Plutonium gebaut, gefolgt von Projekten des ersten Forschungs-Druckwasserreaktors VVR in der UdSSR -2, Reaktoren für U-Boote und den ersten nuklearen Eisbrecher „Lenin“, Einrichtung eines nuklearen Fluglabors an Bord des Flugzeugs Tu-95M, Erforschung gasgekühlter Reaktoren.

Aber das war alles später, und 1946 wurde Merkin Mitglied des Quartetts „Wissenschaftlicher Direktor – Cheftechnologe – Generalkonstrukteur – Metallurge“:

Kurchatov – Merkin – Dollezhal – Bochvar

„Wir werden es mit fließendem Wasser kühlen, sonst geben wir Zeit Dauerbetrieb Der von Igor Wassiljewitsch geforderte Reaktor ist unmöglich.“ „Natürlich werden wir den Kompressor selbst installieren, aber das Uran sollte nicht mit Wasser in Berührung kommen.“ „Ich verstehe, hier ist eine Schalenlegierung, die Hitze und Strahlung standhält.“

„Wladimir Iosifovich fordert, dass Wasser mit einer Geschwindigkeit von 2.500 Tonnen pro Stunde durch den Kern fließen muss.“ „Ich verstehe – hier ist eine Legierung, die Strahlung, Druck und Temperatur standhält und nicht korrodiert.“

„Gemäß den technischen Spezifikationen werden wir 26 Stäbe des Schutz- und Kontrollsystems installieren.“ „Ja, hier ist eine Legierung für technische Kanäle.“ „Igor Wassiljewitsch gab Auskunft über den biologischen Schutz; für die obere, untere und seitliche Schutzschicht wird diese Legierung verwendet, sie wiegt so viel – Nikolay, berechnen Sie das Design.“

„Andrey Anatolyevich, wenn Nikolai Antonovich alles richtig berechnet hat, müssen Sie Plutonium aus 83.000 Uranblöcken gewinnen und die Verarbeitungskapazität berechnen“...

Gleichzeitig ist die Rechenausrüstung zur Lösung all dieser Probleme kariertes Papier, ein Rechenschieber und eine Rechenmaschine. Eine Frage an diejenigen, die eine ausgeprägte Vorstellungskraft haben: Welche Errungenschaften würden die Gruppen Kurchatov, Merkin, Bovchar und Dollezhal erreichen, wenn sie über ... nun, zum Beispiel, die Prozessoren verfügen würden, die in unseren Heimcomputern und Telefonen zu finden sind?

Gesamtdiagramm des A-1-Reaktors, Abb.: economys.kiev.ua

Wärmeleistung – 100 MW, Kerndurchmesser und -höhe – 9,2 m, 150 Tonnen Uran, 1.050 Tonnen Graphit. Die Gesamtzahl der Uranblöcke beträgt 83.000, 74 Blöcke pro Technologiekanal, davon 1.150 in A-1 (dies war der Name des ersten Industriereaktors; Physiker und Ingenieure nannten ihn liebevoll „Annushka“).

Beachten wir ein wichtiges Detail: Die Temperatur des aus dem Reaktor austretenden Wassers betrug nur 85-90 Grad.

"Leuchtturm"

Ende 1945 wurde ein Ort festgelegt, an dem ein ganzer Komplex von Gebäuden und Bauwerken errichtet werden sollte – ein Industriereaktor, chemische Verarbeitungsbetriebe für bestrahlte Uranblöcke, metallurgische Abteilungen, Räumlichkeiten für die chemische Wasserreinigung, ein Umspannwerk, Wohngebäude für Mitarbeiter und vieles mehr.

Dieser Ort ist jedem bekannt, der mit unserem Atomprojekt vertraut ist – neben dem Kyzyl-Tash-See Südlicher Ural, in der Region Tscheljabinsk. Dies ist nun die Stadt Ozersk und der Industrieverband Mayak, deren Geschichte nicht einen, sondern viele Artikel verdient.

Der NKWD wurde mit der Verantwortung für den Bau des Objekts 817 beauftragt, die Dachorganisation war Tscheljabmetallurgstroy. Am 24. November 1945 Baustelle Der erste Pflock wurde eingetrieben, was den Beginn eines grandiosen Baus markierte, und im April 1946 wurde der Masterplan genehmigt.

Die schwierigste Etappe war Erdarbeiten Beim Ausheben einer Grube für den Reaktor war das Projekt noch nicht abgeschlossen, alles musste buchstäblich im Handumdrehen geklärt werden. Auch das strenge Geheimhaltungsregime hatte seine Wirkung – die Mechanisierung der Erdarbeiten war minimal, fast alles musste manuell erledigt werden.

Im September 1946, als mit dem Ausheben der Grube begonnen wurde, waren Abmessungen von 80 x 80 x 8 Metern geplant und nach allen Abklärungen wurde die Tiefe auf 53 Meter erhöht. 340.000 Kubikmeter Erde fast manuell, in Winterzeit 1946-47, nach 30 Metern begann der Gesteinsaufbau – eine gigantische Arbeit, die 11.000 Bagger beschäftigte.

Fertiggestellt im Juli 1947 konkrete Arbeit, während erstmals Eisenerz als Betonfüllstoff verwendet wurde, um den biologischen Schutz zu erhöhen.

Gleichzeitig wurde auf Befehl von Lavrenty Beria Efim Pavlovich Slavsky, der zukünftige Leiter des Ministeriums für mittleren Maschinenbau, zum Direktor des entstehenden Werks und Vladimir Merkin zum Chefingenieur ernannt.

Efim Slavsky, der die Gelegenheit hatte, direkt mit Lavrenty Beria in Kontakt zu treten, konnte das Arbeitstempo erhöhen, wofür eine Erweiterung und Erweiterung von Wohngebäuden erforderlich war – bis Ende 1947, als gleichzeitig mit dem Bau und der Installation der Ausrüstung begonnen wurde. 60.000 Menschen arbeiteten auf der Baustelle.

Start

Das Reaktorgebäude wurde Ende 1947 fertiggestellt und sofort mit der Installation begonnen. Am 1. Juni 1948 wurde der Bau des A-1-Reaktors abgeschlossen, für dessen Bau 5.000 Tonnen Metallkonstruktionen und Ausrüstung, 230 km Rohrleitungen, 165 km Elektrokabel, 5.745 Armatureneinheiten und 3.800 Instrumente erforderlich waren.

Die Beladung des Reaktors mit Graphit und Uran begann – ja, richtig, am 1. Juni 1948 war keine Zeit für eine Pause. Die Verladung begann am 1. Juni um 08:50 Uhr, am 7. Juni um 23:15 Uhr wurde an ihrer Stelle die letzte, 36. Graphitschicht angebracht.

Am 8. Juni um 00:30 Uhr stand Igor Wassiljewitsch Kurtschatow am Schaltpult und startete physisch unseren ersten industriellen Kernreaktor. Der Reaktor begann an Leistung zu gewinnen und war gut reguliert; am Morgen übergab Kurtschatow das Bedienfeld an das diensthabende Personal und hinterließ einen Eintrag im Protokoll:

„Schichtleiter! Ich warne Sie, dass es zu einer Explosion kommen wird, wenn das Wasser stoppt. Daher sollte das Gerät auf keinen Fall ohne Wasser stehen bleiben. I.V. Kurtschatow“

Bei einer Leistung von 10 kW wurden die physikalischen Eigenschaften des Reaktors, der Steuerungs- und Schutzsysteme getestet. Nachdem Kurtschatow Meldungen über die volle Bereitschaft erhalten hatte, gab er den Befehl, die Reaktorleistung auf das Auslegungsniveau anzuheben, das am 19. Juli um 12:45 Uhr erreicht wurde.

Der Beginn ist mit diesem Datum verbunden Produktionsaktivitäten Werk 817, dann das nach ihm benannte Chemiewerk. DI. Mendeleev“, dann „Unternehmen p/box 21“, dann „Chemiefabrik „Mayak“ und erst dann – Produktionsvereinigung „Mayak“.

Der kontinuierliche Betrieb der Anlage rund um die Uhr begann – mit großen und kleinen Problemen, die buchstäblich im Handumdrehen gelöst werden mussten. Unerwartete Korrosionsphänomene, Strahlungsquellen von Graphit- und Uranblöcken, Störungen in der Wasserversorgung von Technologiekanälen und viele andere Vorfälle, die nicht vorhersehbar waren.

Aber das Werkspersonal löste alle Probleme immer wieder, indem es einrichtete, modernisierte, korrigierte und reparierte. Das auf der A-1 produzierte Plutonium wurde in den Händen von Spezialisten der Gruppe von Yuli Khariton zum Sprengkopf unserer ersten Atombombe, RDS-1.

Ingenieure und Konstrukteure sammelten umfangreiche Erfahrungen, die den Bau neuer „militärischer“ Reaktoren ermöglichten. In den Jahren kalter Krieg und die intensivste Arbeit von Mayak, hier waren 10 Reaktoren gleichzeitig in Betrieb, und Uran aus Sewersk und Zheleznogorsk kam hier zur Verarbeitung an.

Der A-1-Reaktor selbst, der laut Plan drei Jahre in Betrieb sein sollte, hielt etwas länger – 39 Jahre, 13-mal mehr als alle Garantien; er wurde erst 1987 gestoppt.

Militärische Bedürfnisse sind der Motor des Fortschritts

Die Eroberung und Beherrschung der Atomenergie erfolgte gezielt zu Verteidigungszwecken, aber die im riesigen Team des Sonderprojekts versammelten Wissenschaftler, Designer, Technologen und Ingenieure glaubten nie, dass sie nur und ausschließlich für diesen Zweck arbeiteten.

Ja, sie standen vor der Notwendigkeit, sich zu entscheiden die wichtigste Aufgabe, hing das physische Überleben des Landes ohne jede Anstrengung der Vorstellungskraft von der Geschwindigkeit und Genauigkeit der Entscheidung ab. Doch als unsere Wissenschaftler immer mehr Geheimnisse des Atoms und seine erstaunlichen Eigenschaften entdeckten, erkannten sie, wie nützlich die Atomenergie für völlig friedliche Zwecke sein kann.

Es verging nur sehr wenig Zeit – und dieselben Leute, die die beeindruckendsten und mächtigsten Waffen entwickelten, begannen, friedliche Kernenergie zu schaffen.

Igor Kurchatov wurde zu dem Menschen, der die Idee, ein Kernkraftwerk zu bauen, durch alle Machtstrukturen schleppte, Vladimir Merkin und Nikolai Dollezhal entwickelten Leistungsreaktoren, Andrei Bovchar „erfand“ Legierungen mit fantastischen Eigenschaften, die für die Materialien erforderlich waren von Brennstäben, Brennelementen und Reaktorbehältern.

Wir erinnerten uns nur an einen Teil derjenigen, die wir zu Recht die Schöpfer unseres friedlichen Atomprojekts nennen, aber wir sprachen auch nur über die allerersten Schritte seiner Entwicklung.

Das Thema des nächsten Artikels wird eine logische Fortsetzung dieses Artikels sein, wenn wir uns genauer ansehen, was am A-1-Reaktor nicht umgesetzt wurde.

Am Ausgang des Reaktors hatte das Kühlwasser eine sehr niedrige Temperatur – nur 85–90 Grad; als Rohstoff wurde natürliches Uran verwendet, das nicht in der Zusammensetzung des Isotops 235 angereichert war.

Wie diese Fakten miteinander zusammenhängen, wie unsere Nuklearwissenschaftler diesen Zusammenhang finden und umsetzen konnten – darum geht es beim nächsten Mal.

B. Martsinkevich