Промышленные уран-графитовые реакторы для наработки плутония

в 18:41, , рубрики: атомная энергетика, атомная энергетика СССР, маяк, Научно-популярное, плутоний, радиация, Росатом, физика, экология, Энергия и элементы питания

Говоря об атомных реакторах мы чаще всего представляем себе реактор атомной станции. Его задача вырабатывать из ядерного топлива тепло, которое затем преобразуется в электричество. Но существует и довольно большое число реакторов, работающих для других целей. Их используют для исследований, для наработки полезных изотопов, в т.ч. для медицинских целей, как источник энергии для гражданских судов и военных кораблей. Но самые первые мощные ядерные реакторы стали строить в 40-е годы для одной важной на тот момент задачи – наработки оружейного плутония, начинки атомного оружия. Именно они получили название промышленные. И именно их истории и нынешнему состоянию в нашей стране и посвящена эта статья.

Промышленные уран-графитовые реакторы для наработки плутония - 1
Промышленный уран-графитовый реактор АДЭ-2

Атомный реактор – это устройство, в котором происходит управляемая цепная реакция деления тяжелых ядер (например, урана или плутония). При этом происходит большое количество других ядерных реакций, которые можно использовать для тех или иных задач. Когда в начале 1940-х годов физики занялись поисков делящихся материалов, наиболее пригодных для создания ядерной бомбы, выяснилось, что на его роль подходят обогащенный уран и искусственный элемент плутоний, которого не существует в природе. В итоге оба варианта были реализованы. Бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки, были опытными образцами этих двух разных типов — из обогащенного урана и из плутония. В итоге плутоний по ряду причин казался более предпочтительным для использования. Но чтобы его получить, нужно построить реакторы, в которых уран будет облучаться нейтронами и превращаться в плутоний, а затем выгрузить топливо, переработать (процесс этот привел в свое время к образованию большого количества жидких отходов, как я писал в предыдущем посте) и выделить из него плутоний. Именно с такой целью стали строить промышленные реакторы в США, а затем и в СССР, а рядом с ними и целые комбинаты для переработки ядерного топлива и выделения плутония.

Первый в мире промышленный реактор был построен в США в рамках Манхэттенского проекта. Это был реактор «B», он заработал в сентябре 1944-го на территории комбината Хэнфор, где всего было построено 9 промышленных реакторов. В итоге это позволило американцам провести первый в истории тестовый ядерный взрыв плутониевой бомбы 16 июля 1945 года на полигоне в Неваде, а затем – боевой взрыв 9 августа 1945 в Нагасаки. В Хиросиме взорвали урановую бомбу, без тестового взрыва.

В СССР по аналогии с Хэндфордским комбинатом был построен комбинат «Маяк» (ранее завод №817) в городе Озерск (ранее Челябинск-40) в Челябинской области. Там первый промышленный реактор «А» заработал в 1948 году. Именно он дал плутоний для первой советской ядерной бомбы, испытание которой состоялось 29 августа 1949 года.

Конструкции первых промышленных реакторов-наработчиков плутония были примерно похожи. Это канальные реакторы на тепловых нейтронах с графитовым замедлителем и прямоточным водным охлаждением. Сама активная зона реактора (пространство, где происходит цепная реакция) собиралась из графита, который выступал замедлителем нейтронов. Замедление нейтронов в графите позволяло использовать в качестве топлива природный, необогащенный уран. Это очень упрощало и ускоряло наработку плутония. В графитовой кладке реактора были просверлены каналы, в которые загружалось топливо в виде урановых металлических цилиндров-блочков. По этим же каналам пускалась вода для охлаждения, т.к. при делении урана выделялось много тепла. Блоки с топливом загружались с одной стороны канала, облучались в реакторе, в них образовывался плутоний (несколько процентов от загруженного урана), а через некоторое время они выгружались с другой стороны канала и шли на переработку – растворение и выделение плутония химическими методами. Реакторы такой конструкции и назначения получили в СССР название ПУГРы – промышленные уран-графитовые реакторы.

Основным, и бросающимся в глаза отличием ПУГРов в США и СССР было то, что американские были с горизонтальными каналами, а наши – вертикальными. Не смотря на то, что во-многом мы догоняли американцев и шли по их следу экономя время, такой вариант показался советским разработчикам более выгодным из-за решения ряда проблем с неравномерностью теплового потока.

Промышленные уран-графитовые реакторы для наработки плутония - 2
Первый в мире промышленный реактор «B» в Хэнфорде, США. Видна передняя панел с горизонтальными каналами, куда загружалось свежее топливо. Источник

Промышленные уран-графитовые реакторы для наработки плутония - 3
Схема графитовой кладки активной зоны советского ПУГР. Размер цилиндра — около 9 м в диаметре и столько же в высоту.

Таким образом, реактор выступал как конвейер по облучению и образованию плутония из природного урана – это был очень простой, но эффективный способ получения взрывчатки для бомб. Правда при этом реактор надо было охлаждать водой, которую надо где-то брать и затем (зачастую уже загрязненную радионуклидами из топлива) сливать, а при выделении плутония на радиохимических производствах образовывалось большое количество жидких радиоактивных отходов. Но время было такое, что решалась в первую очередь основная задача – создание оружия. Увы, проблемы с отходами откладывались на потом и заложили основу многим экологических последствиям, получившим теперь название ядерное наследие.
В СССР были построены три комбината для наработки оружейного плутония – ПО «Маяк» (г. Озерск, Челябинская область), СХК (г. Северск, Томская область) и ГХК (Железногорск, Красноярский край). Всего на них с 1948 по 1965 год были введены в строй 13 ПУГРов.

Первые реакторы на ПО «Маяк»

Первенец и самая крупная промышленная площадка ядерного комплекса СССР – производственное объединение «Маяк» (ПО «Маяк», ранее – завод №817, сороковка), расположенное в городе Озерск (Ранее Челябинск-40) в Челябинской области, работает с 1948 года. 8 июня 1948 года на ФГУП «ПО «Маяк» был пущен первый в стране уран-графитовый промышленный реактор А («Аннушка»).

В августе 1946 года был утвержден проект и начато строительство реактора. С минимальной механизацией, в условиях суровой уральской зимы к весне 1947-го года на стройплощадке комбината были выполнены самые тяжелые грунтовые работы – вырыт котлован 80 на 80 метров и глубиной до 53 м. Всего было извлечено 157 тыс. кубометров грунта. На заключительном этапе выемки скального грунта было занято 11 тысяч землекопов.

Промышленные уран-графитовые реакторы для наработки плутония - 4
Здание первого реактора «А». Источник.

Цилиндрическая активная зона ректора была диаметром 9,2 м и высотой в 9,2 м. Графитовые колонны были составлены из блоков 600 мм высотой с квадратным сечением 200х200 мм и центральным отверстием диаметром 44 мм. Графитовая кладка пронизывалась по вертикали 1200 тонкостенными алюминиевыми трубами с толщиной стенок в 1 мм, через которые протекала вода и в которых располагались урановые блочки (диаметр 35 мм, высота 100 мм) с оболочкой из алюминиевого сплава. В каждый канал загружалось 74 блочка. В нижней части труб они упирались в разгрузочное устройство, которое при необходимости могло выдавать по одному блочку из любой вертикальной трубы. Под собственным весом блочки падали в воду и попадали в шахту перегрузки. Затем они поступали в транспортную галерею, где хранились под слоем воды 2 месяца, после чего шли на переработку.

Промышленные уран-графитовые реакторы для наработки плутония - 5
Зал реактора А на ПО «Маяк». (Источник)

8 июня 1948 года лично Курчатовым был осуществлен физический пуск реактора с загрузкой около 75 т урана. А чуть менее чем через год, 29 августа 1949 – первая атомная бомба СССР из полученного на реакторе плутония была испытана на Семипалатинском полигоне. По проекту первый промышленный реактор «А» должен был проработать 3 года, но проработал 39 лет – до 1987 года. Подробнее о реакторе «А» можно почитать тут.

Всего за годы существования предприятия на ПО «Маяк» работали десять промышленных реакторов, два из которых эксплуатируются в настоящее время. Среди них 5 промышленных уран-графитовых реакторов — А, АИ, АВ-1, АВ-2 и АВ-3, были введены в строй в период с 1948 по 1952 год. Их первоначальные сроки службы были небольшими, но проработали они по 30 с лишним лет, модернизируясь во время капитальных ремонтов. Остановлены они были в период с 1987 по 1990 год, и с тех пор на них ведутся работы по выводу из эксплуатации.

Подземные АД на Горно-химическом комбинате.

Горно-химическом комбинате, третий комбинат по наработке плутония в СССР, предприятие уникальное, расположенное под землей, в скальном массиве. На площадке ФГУП «ГХК» в г. Железногорске под Красноярском расположены три ПУГРа – АД, АДЭ-1 и АДЭ-2. Вместе со вспомогательным оборудованием и коммуникациями они размещены в горных выработках скального массива – в шахтах, облицованных монолитным бетоном. По проекту реакторы предполагалось расположить в скальном грунте на глубине около 200 м в поперечных выработках шириной 8-18 м, длиной 60-80 м и высотой 5-30 м.

Промышленные уран-графитовые реакторы для наработки плутония - 6
Электричка в подземный комбинат ГХК. Источник.

ПУГР АД являлся одноцелевым проточным реактором на тепловых нейтронах. Он проработал 1958 по 1992 год. Мало того, что этот реактор обладал в два раза больше производительностью по плутонию, чем его предшественники, его конструкция и удельная мощность позволяли поднять температуру охлаждающей воды на выходе до состояния рабочего тела турбины. По сути, это был проект энергетического реактора.

Промышленные уран-графитовые реакторы для наработки плутония - 7
Остановка реактора АДЭ-2 на ГХК 15 апреля 2010 года (Источник)

АДЭ-1 проектировался как энергетический, но эксплуатировался как одноцелевой реактор в проточном режиме с 20 июля 1961 года. Остановлен для вывода из эксплуатации 29 сентября 1992 года. АДЭ-2 работал с 1964 года в двухцелевом режиме (плутоний + электроэнергия), остановлен для вывода из эксплуатации 15 апреля 2010 года.

Первая АЭС на Сибирском химическом комбинате

В период с 1953 по 1964 г. на площадках Сибирского химического комбината в г. Северск (Томская область) были сооружены и пущены в эксплуатацию ПУГРы И-1, ЭИ-2, АДЭ-3, АДЭ-4, АДЭ-5. Реактор И-1 предназначался исключительно для наработки оружейного плутония, остальные реакторы совмещали в себе функции наработки плутония и производства электроэнергии. Впервые в мире эти функции совместил в себе реактор ЭИ-2. С пуском этого реактора в 1958 году заработала первая очередь Сибирской АЭС мощностью 100 МВт, которая стала второй атомной станцией в СССР после Обнинской, пущенной 4 годами ранее. Реакторы серии АДЭ по мере их ввода в эксплуатацию поэтапно наращивали мощность Сибирской АЭС. С пуском АДЭ-5 мощность станции составила 600 МВт.

Промышленные уран-графитовые реакторы для наработки плутония - 8
Сибирская АЭС на СХК – первая крупная АЭС в СССР и единственная АЭС в Сибири.

На базе реакторов АДЭ-4 и АДЭ-5 была спроектирована и реализована система дальнего теплоснабжения. Город Томск был обеспечен дешевой тепловой энергией благодаря использованию тепла реакторов АДЭ-4 и АДЭ-5. Реакторы давали 30–35% тепла, необходимого для отопления жилого массива г. Томска, и более 50% – для г. Северска и промплощадок комбината. В 2008 году в Северске были остановлены последние промышленные ядерные реакторы.

Наследие промышленных реакторов

Опыт работы уран-графитовых реакторов в СССР не только дал стране материал для ядерного оружия с избытком, который до сих пор утилизируется даже в виде топлива для обычных АЭС, но и открыл путь к мирной атомной энергетике. Реактор Первой в мире АЭС в Обнинске, открытой в 1954 году, Сибирской АЭС, первых двух энергоблоков Белоярской АЭС, всех блоков Билибинской АЭС и серии мощных реакторов РБМК-1000 разработаны на базе опыта строительства и эксплуатации канальных уран-графитовых реакторов. Но помимо накопления опыта, разработки энергетических направлений, ПУРГи стали источниками и многих экологических проблем. Частые поломки, разгерметизация твэлов и выход из строя приводили к сбросу в окружающую среду с охлаждающей водой радионуклидов, попадавших в реки Енисей и Томь. Радиохимический передел топлива при выделении ценного продукта – плутония, привел к образованию наибольшей по объему части ядерного наследия СССР – водоемов-хранилищ жидких радиоактивных отходов в виде Теченского каскада водоемов, озер Карачай и Старое болото на ПО «Маяк», подземных пластов-хранилищ на СХК и ГХК.

Промышленные уран-графитовые реакторы для наработки плутония - 9
Реакторы РБМК-1000, работающие на Ленинградской, Смоленской и Круской АЭС – концептуальное развитие промышленных уран-графитовых наработчиков плутония. Только из их топлива плутоний уже не извлекали.

Вывод из эксплуатации

В 1991 году США и Россия подписали соглашение об окончательном останове реакторов, нарабатывающих оружейный плутоний. К настоящему времени все ПУГРы в России остановлены и находятся в той или иной стадии вывода из эксплуатации.

В рамках федеральной целевой программы ФЦП ЯРБ-1 (2008-2015 гг) осуществлялась подготовка и была проведена первая и уникальная операция по разбору и консервации ПУГР на месте. В 2010 году на базе СХК был сформирован «Опытно-демонстрационный центр вывода из эксплуатации уран-графитовых ядерных реакторов» (ОДЦ УГР). В сентябре 2015 года ОДЦ УГР завершил операцию по окончательному выводу из эксплуатации реактора ЭИ-2. Сейчас это по сути холм. Было использовано более 100 тыс. м3 изолирующих материалов на основе местных глин. Итог работ: ядерные материалы удалены, наземная часть и непроектные хранилища ликвидированы. Графитовая кладка законсервирована.

Промышленные уран-графитовые реакторы для наработки плутония - 10
Схематический вид реактора ЭИ-2 на СХК до (слева) и после (справа) окончательной консервации.

Вывод из эксплуатации и консервация ПУГР «на месте» считается на данный момент наиболее оптимальной концепцией, позволяющей снизить нагрузки на персонал в процессе вывода из эксплуатации, избежать перемещения большого количества радиоактивных материалов и создания дополнительных хранилищ для РАО. Однако, не все реакторы можно будет захоронить подобным образом. В рамках федеральной целевой программы «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2016 – 2020 годы и на период до 2030 года» планируется дополнительно вывести и окончательно законсервировать 8 из 13 ПУГР, а так же решить вопросы связанные с утилизацией облученного графита.

Промышленные уран-графитовые реакторы для наработки плутония - 11
Памятная плита на фоне лужайки на месте вывода их эксплуатации реактора ЭИ-2 на СХК. (Источник)

В настоящее время к выводу из эксплуатации «на месте» по опыту СХК готовятся реакторы на ПО «Маяк». В 2018 году прошли общественные обсуждения проекта по выводу из эксплуатации пяти промышленных уран-графитовых реакторов комбината. В рамках предстоящего процесса вывода из эксплуатации на каждом реакторе будет проведена дезактивация помещений (при необходимости), демонтажные работы по оборудованию и системам, находящимся в реакторном здании и на территории площадке. Затем внутренние полости реактора, шахты реактора и строительных объёмов помещений реакторного здания будут заполнены сорбирующими и гидоизоляционными материалами до нулевой отметки, т.е. до поверхности земли. После этого над шахтой реактора будет создан дополнительный барьер в виде верхней герметической защитной плиты.

Вместо выводов

Промышленные уран-графитовые реакторы, давшие СССР необходимый для ядерного орудия плутоний, заложили и основу для мирного использования атомной энергии на атомных станциях первых поколений и для запуска масштабной серии АЭС с реакторами РБМК, до сих пол дающими почти половину всего атомного электричества в России. Точно так же и после окончания своей работы ПУГР станут полигоном для отработки технологий обращения с облученным графитом, необходимых для вывода из эксплуатации АЭС с уран-графитовыми реакторами.

P.S.: Так совпало, что на днях на одном из ядерных объектов в Свердловской области (о нем я напишу отдельный пост) я познакомился со специалистами из «СпецАтомСервиса», которые вскоре будут работать над выводом из эксплуатации еще одного ПУГРа на СХК. Забавные иногда случаются совпадения.

Источники:

1. Летопись Росатома. История реакторов.
2. Проблемы ядерного наследия и пути их решения. Том 1.
3. Опыт по выводу из эксплуатации ПУГР АД методом «захоронения на месте»
4. Пять реакторов – наработчиков оружейного плутония на «ПО Маяк» планируется захоронить на месте
5. Технические решения, технологии и опыт АО «ОДЦ УГР» по выводу из эксплуатации ОИАЭ

Автор: Nucl0id

Источник


* - обязательные к заполнению поля