(Не)мирный атом  6

В последнее время многие СМИ охотно публикуют новости атомной энергетики, используя их для поднятия настроения нам, гражданам и жителям России. Это понятно, поскольку Росатом вышел на уровень развития, при котором конкуренты у него, если и есть, то сугубо теоретические или, как принято говорить, потенциально возможные

Повлияло на это два фактора - тихая смерть двух участников «большой атомной тройки», из которой выпали США и Франция и то, что государственная корпорация «Росатом» умудрилась не только сохранить, но и приумножить все то, что было наработано в советские времена легендарным министерством среднего машиностроения. Без суеты и спешки атомщики отбирали наиболее перспективные для гражданской отрасли технологии, и результаты такой осмысленной, вдумчивой неторопливости мы с вами и наблюдаем: Росатом активно работает в СПГ-отрасли, в судостроении, в производстве композитных материалов, в медицинской отрасли и так далее. Появилась даже вполне справедливая формула: Росатом развивает не только атомное энергетическое направление, но и не атомное энергетическое, атомное, но не энергетическое и даже не атомное и не энергетическое.

Но есть и еще один немаловажный фактор, о котором вспоминают куда как реже. В 1945 году, когда был создан Спецкомитет по атомной энергии, его руководителем был назначен Лаврентий Павлович Берия, которого при этом освободили от всех остальных постов (за исключением партийных) и который подчинялся ровно одному человеку - Иосифу Виссарионовичу Сталину, который, собственно, и назначил Лаврентия Павловича на этот пост. Если открыть совершенно не секретный устав Росатома, то обнаруживается, что высшим исполнительным органом корпорации является ее генеральный директор, назначаемый на пост президентом Российской Федерации. Коротенько и просто, хотя тут наблюдается некоторая бюрократическая чехарда: в 2007 году, когда была образована корпорация Росатом, генеральный директор назначался президентом, в 2008 году эта прерогатива перешла премьер-министру страны, но только для того, чтобы в 2012 все полномочия вернулись президенту. Но, если вспомнить фамилию президента и премьер-министра в названные периоды, то все на своих местах: за атомный проект в нашей стране отвечает руководитель в количестве одна штука, напрямую подотчетный высшему руководителю государства. На мой взгляд, вот эта, организационная, так скажем, составляющая, играет немалую роль в успешности деятельности Росатома. Если отбросить сантименты, то в его стратегических разработках не участвует наше распрекрасное, восхитительное и даже замечательное правительство со всеми его финансовыми и экономическими блоками и прочей чубайсятиной разных цветов и оттенков. Ну, а то, что об этой организационной особенности не трубят наши федеральные СМИ - это типичный «этодругизм», поскольку известно, кто правит бал в этих СМИ, а эти ребята о своих неудачах предпочитают помалкивать.

Стратегия большой России, или Под силу ли Путину индустриализация

Аналитика и прогнозы

Рассказать в одной передаче обо всех направлениях деятельности Росатома невозможно, да я и не ставлю себе такую цель - по той причине, что никто о ней, собственно, и не спрашивает. Сегодня хотелось немного о другом - помочь тем, кому это интересно, получить хоть какие-то ориентиры в имеющихся и бурно развивающихся именно атомных энергетических технологиях, причем не только наших, российских и советских.

Есть у меня подозрение, что одно только перечисление типов атомных реакторов тех, кто не очень глубоко погружен в тему, может привести в полнейшее замешательство. Реакторы уран-графитовые, водно-водяные, кипящие, газоохлаждаемые, реакторы на жидких металлах, реакторы тепловые и на быстрых нейтронах, реакторы исследовательские, лодочные, большие, средние и малые, да еще и разукрашенные всевозможными аббревиатурами - РБМК, PWR, ВВЭР... Их действительно много, а пишущие на эту тему крайне редко заморачиваются по поводу того, что надо бы хоть какие-то разъяснения давать. Я прикидывал и так, и эдак, но мне кажется, что удобнее всего классифицировать, привести в порядок это многообразие разумнее и логичнее всего по технологическим поколениям, благо их пока не так и много – первое, второе, третье, несколько искусственно введенное поколение «три плюс» и перспективное четвертое, за разработку которого сейчас и идет научно-технологическое сражение. Впрочем, нельзя упомянуть еще об одной особенности атомной энергетики: это настолько передовой фронт развития науки и технологий, что не так просто сказать, чего здесь больше - конкуренции или сотрудничества.

Если дело не касается ядерного оружейного комплекса, то наблюдается крайне занимательная картина: политики разных стран борются за то, чтобы возникла жесткая конкуренция, а сами физики-атомщики предпочитают сотрудничать друг с другом, не отказываясь от кооперации для решения самых сложных задач и проектов. Особняком при этом стоят американские атомщики - в их стране атомная энергетика изначально была отдана в руки частных компаний, а они однозначно за конкуренцию, которая, собственно, и привела их на обочину общемирового процесса. Все, чем могут похвастаться американские атомщики в этом веке - достроенный по старому проекту в 2016 году энергоблок одна штука, четыре энергоблока в Китае, где успех пришел только за счет чрезвычайного напряжения всего энергетического машиностроения самого Китая и вот только что запущенный с семилетним опозданием энергоблок в составе АЭС «Вогтль».

Впрочем, последний случай — это нечто из ряда вон в мировом атомном проекте: строительство и ввод в эксплуатацию энергоблока завершала компания-заказчик, поскольку Вестингауз, компания-разработчик проекта и держатель патентов, дала дуба раньше срока - обанкротилась, а ее новые владельцы и не думали появляться ни на мировом рынке реакторостроения вообще, ни на стройплощадке АЭС «Вогтль» в частности. Попытка развивать отрасль за счет частных компаний и стала основной причиной того, что Штаты из состава «большой атомной тройки» выпали и никто не может дать гарантий, что они когда-нибудь «впадут» обратно. Еще один бывший участник этой «тройки» - Франция, где атомный проект всегда был государственным. Тут причины все более заметного отставания несколько иные. Если посмотреть на организационную структуру Росатома, то легко обнаружить одну из дочерних компаний - Росэнергоатом, которому принадлежат все АЭС на территории России и Турции, который отвечает и за эксплуатацию всех АЭС. Во Франции изначально имелась компания FrAmAtom, (Франция – Америка – Атом), отвечавшая за проектирование и строительство АЭС и компания EDF, отвечающая за их эксплуатацию.

Причина вполне понятна - в 70-е годы, когда во Франции началось массовое строительство АЭС, у этой страны просто не было собственных технологий, потому она и пошла на создание СП с американцами. Условие создания и существования этого СП было сугубо капиталистическим: государство Франция обязалось закупить у американцев энное количество атомных энергоблоков, а после выполнения этих обязательств американцы передавали Франции свои технологии целиком и полностью, с правами на их дальнейшее развитие. FrAmAtom строил, передавал в собственность EDF, а EDF эксплуатировала и эксплуатирует - вот такая конструкция. При этом эти компании, хотя они обе были и остаются государственными, остаются независимыми друг от друга. Результат - налицо: если с EDF до последнего времени все было в полном порядке, то FrAmAtom реорганизовывали в компанию Areva, Areva что-то там присоединяла к себе и укрупнялась, пока не была доведена до предбанкротного состояния, из которого ее вытаскивало государство, по ходу пьесы переименовав ее в нынешнюю Orano.

Кроме того, обнаружилось, что освоить технологию обогащения урана по содержанию изотопа уран-235 у французов никак не получалось, пришлось идти на сотрудничество с англо-немецко-голландской URENCO. При этом не все ладится и с добычей урановых руд. Целый список проблем, само существование которого доказывает точность нашего, советского и российского подхода: единоначалие и как заповедь - «Хочешь сделать хорошо - сделай сам». Приблизительно по такому же пути идет Южная Корея с ее KEPCo; собственный вариант использует Китай, в котором вполне успешно работают не одна, а сразу три государственных атомных корпорации. Эта троица конкурирует между собой, но это конкуренция не капиталистическая, а та самая, которая имелась и в Советском Союзе, когда у нас сражались друг с другом авиаконструкторы, создатели танков и даже ракетной техники. Критерий успешности другой - не столько экономические показатели, сколько успешность создаваемых технологий. Про Китай и про Южную Корею вспомнил не просто так - не исключено, что вместе с Россией эти два государства окажутся способны создать «большую атомную тройку», но уже 21 века. Вряд ли это будет быстро и просто - будем наблюдать, но помнить, что предпосылки имеются, и на этом предлагаю считать вступительную часть законченной, приступаем к тому самому анализу трех поколений атомных реакторов.

С первым поколением реакторов все вполне линейно: армиям требовалось новое оружие, этой задачи было подчинено абсолютно все. Технически проще стартовать было с плутония — и реакторы первого поколения были реакторами-наработчиками именно этого химического элемента. Конструкция логически самая простая: уран, причем даже не обогащенный по урану-235, графит в качестве замедлителя и что-нибудь, чтобы не дать урану и графиту перегреться. Реально «что-нибудь»: если в Советском Союзе и в США температуру снимали за счет потока воды, то в Англии и вовсе углекислым газом. Своей дорогой пошли канадские атомщики, использовавшие в качестве замедлителя нейтронов тяжелую воду, что позволяет обходиться без обогащения урана по содержанию изотопа-235. Забота о безопасности была сведена к минимуму, реакторы-наработчики «прятали» в малонаселенных районах и работали, работали, работали. Из-за военных нужд начался и переход к реакторам с обогащенным ураном — только 235-й изотоп давал поток нейтронов такой плотности, который обеспечивал наработку изотопа лития-6, источника трития, который был необходим для создания уже не атомного, а термоядерного оружия. Но обогащенный уран требовал еще более серьезных технологий охлаждения, то есть еще более серьезных потоков воды под давлением, чтобы вода могла уносить как можно больше тепла. Английские реакторы в составе АЭС Колдер Холл нарабатывали плутоний и давали электроэнергию, в наших Северске и Железногорске работала Сибирская АЭС общей мощностью 1000 МВт — и ее реакторы тоже нарабатывали плутоний. Так что все эти бородатые анекдоты «Подбрось урана, а то в избе холодно» - шутка, в которой только доля шутки.

Обратите внимание — реакторы 1 поколения практически никак не связаны с технологиями обогащения урана, эти реакторы создавались с совершенно утилитарной целью, для наработки оружейного плутония и изотопа лития-6. Все, что касалось выработки электроэнергии, для таких реакторов — на втором плане, ибо не до таких мелочей было тем, кто ковал ядерный меч и не менее ядерный щит. Тем не менее, энергетическое направление вовсе не предавалось забвению — ученые тщательно собирали все полученные знания, которые можно было с пользой использовать в гражданском, мирном «ответвлении» изначально сугубо военной технологии.

Конечно, дальше я мог бы с чистой совестью сыпать названиями и аббревиатурами Магнокс, АБМ, AGR, PWR, РБМК, BWR, CANDU, ВВЭР, PHWR, чтобы все прониклись багажом знаний и зауважали. Вот только это от лукавого, поскольку все это мельтешение не дает возможности понять даже основ знания физики процессов, протекающих в атомных реакторах и управляемых физиками-атомщиками. А это, на мой взгляд, совершенно неправильно, так не удастся увидеть красоту и изящество научных, конструкторских, инженерных изобретений и придумок, понять объем проделанной работы. А он был огромен до монументальности.
Выработка электроэнергии, если совсем на пальцах и не касаться солнечных электростанций — это вращение ротора в статоре и не принципиально, за счет чего мы добиваемся вращения ротора. Падает вода из водохранилищ, вращая гидроагрегат — по проводам бежит ток; горит уголь, заставляя воду выкипать, полученный пар направляется на турбину — по проводам бежит ток; заставляет воду выкипать управляемая цепная реакция деления, полученный пар направляется на турбину — по проводам бежит ток. Если это можно назвать «идеологией», то она не меняется, а вот варианты ее реализации — имеются: воду можно превращать в пар непосредственно в активной зоне и можно это делать за ядерным контуром.

Титановый рай

Точка сборки

Кипящие реакторы называются кипящими, потому что в них вода кипит именно в активной зоне, капитан очевидность доклад закончил. На входе в активную зону — вода под давлением 80 атмосфер, которую насосы прогоняют вдоль тепловыделяющих сборок, вода греется и закипает. Получаем не чистый пар, а паросодержащую смесь — на 30% пара приходится 70% воды. Вот эта смесь уходит в барабан-сепаратор, где вода отделяется от пара. Вода — на повторный заход через активную зону, пар, давление которого падает до 70% - на турбину. На слух вообще никаких проблем, с такими смесями и их разделением инженеры работают достаточно давно и весьма успешно, но есть тут совершенно особая, ядерная специфика, которую тоже приходится учитывать.
Ничего сложного, не выше школьного уровня, то есть вот того самого, хрестоматийного: свободный нейтрон, попадая в ядро урана, делит его на несколько частей и вызывает появление уже двух свободных нейтронов, которые делят уже два ядра урана... Помните? Упрощено до предела, но хотя бы дает общее понятие о цепной реакции — первичные свободные нейтроны выколачивают из ядер урана вторичные свободные нейтроны и далее все по нарастающей. Первый нюанс — на цепную реакцию способен только уран-235, изотоп, которого в природной урановой руде всего 0,7%, все остальное — основной изотоп, уран-238. Уран – 92-й по счету элемент таблицы Менделеева. Это значит, что у него 92 электрона на орбиталях, 92 протона в ядре и 146 нейтронов там же, в ядре. Но среди массы урана-238 есть вот те самые 0,7% эдаких диссидентов — ядер, которые то ли потеряли, то ли сознательно выкинули из своего состава три нейтрона, в результате в ядре остается 92 протона и 143 нейтрона. Вот с ними все в порядке, вот про них строки школьного учебника и рассказывают. Обогащают уран по 235-му изотопу не от хорошей жизни — без этого не хватает свободных нейтронов для поддержания цепной реакции деления, она просто затухает. Причина в том самом основном изотопе, в уране-238, который не желает делиться ни при каких условиях — его ядро поглощает свободные нейтроны, снижая их количество до такого уровня, когда этих нейтронов не хватает уже и для деления урана-235. Безобразное поведение, но ничего с этим не поделаешь, поскольку такое паразитарное поглощение обусловлено фундаментальными физическими принципами. Но достаточно быстро выяснилась одна особенность ядер урана-238 — чем меньше скорость влетающих в них свободных нейтронов, тем меньше вероятность их поглощения.

После развала ядра урана-235 его осколки, и в том числе высвободившиеся нейтроны, разлетаются с самыми разными скоростями, а для пользы дела нужно, чтобы свободные нейтроны летели помедленнее. Выбираем в качестве модели свободного нейтрона выбрать упругий резиновый мячик, скорость полета которого нужно снизить, но не до нуля. Вот как это сделать-то? Выставить на его пути лабиринт с крепкими стенками, от которых он и будет отскакивать, постепенно теряя энергию и замедляясь. Логично? Логично. Весь секрет только в том, из какого материала изготовить стенки лабиринта и на каком расстоянии друг от друга эти стенки должны быть расставлены. Ровно то же самое и с реальными свободными нейтронами, если, конечно, не учитывать того, что рассчитать со скрупулезной точностью их траекторию невозможно, поскольку всяческие вероятностные эффекты квантовой физики в этом случае играют весьма существенную роль.

Нейтрон — он маленький, поэтому и лабиринт на его пути руками не сделать, логичнее всего использовать какой-то химический элемент с определенными свойствами. Нейтрон не должен быть поглощен ядром такого элемента, ядро должно сохранять способность к так называемому упругому рассеиванию потока свободных нейтронов в течение продолжительного времени. Из всех твердых химических веществ таким требованиям отвечает только графит, чистота которого должна быть ну, как у слезы ребенка, то есть чистота должна достигать уровня 99,999%. Научиться производить графит с такой химической чистотой было весьма непросто, но ничего, справились. И одновременно выяснилось, что есть еще один химический элемент с такими же свойствами, что и графит — вода. Наша, привычная, до боли знакомая вода — идеальный замедлитель свободных нейтронов, но только в том случае, если количество посторонних химических примесей в ней не превышает 0,001%. Но ведь и температуру с твэлов удобнее всего снимать именно водой, у воды в активной зоне реактора сразу две функции — замедлить свободные нейтроны и снять температуру. В уран-графитовых реакторах соотношение воды и графита выбирают таким, чтобы замедление нейтронов на 30% обеспечивала проточная вода, 70% - графит. Приведенной информации, мне кажется, достаточно для того, чтобы понять, насколько «на тоненького» приходится работать: химически абсолютно чистые графит и вода, точно выверенные их количества, скорость воды в активной зоне, которая должна обеспечить создание водопаровой смеси с соотношением 70 на 30, с наноточностью рассчитанные расстояния между стержнями с урановым топливом, тщательно продуманная геометрия графитовой кладки. Мне кажется, что вот такого короткого описания достаточно, чтобы мы с чистой совестью зафиксировать — несмотря на то, что речь идет о реакторах первого поколения, невозможно сказать, что они были чем-то тривиально-примитивным. Ничего подобного перечисленным технологиям на тот момент, когда атомный проект в Штатах, в Англии и в СССР делал первые шаги, не существовало, так что военная необходимость действительно стала мощнейшим двигателем прогресса. Звучит цинично, но из песни слова не выкинешь: если бы не стремление Пентагона заполучить в единоличную собственность абсолютное оружие, чисто американскую вундервафлю, не было бы такого рывка в ядерной физике, в материаловедении, в машиностроении, в химической промышленности. Рывок был практически синхронным, разве что Англия, в силу поствоенных проблем в ее экономике и развала ее колониальной системы, выбыла из числа лидеров и довольствуется ролью ведомого и поныне.

Но то, что я уже рассказал — это только способы обеспечить выполнение главной задачи: военным США и СССР атомные реакторы требовались не ради продвижения науки, а для конкретной цели, наработки оружейного плутония. Потому уж простите, но придется еще несколько слов и на эту тему — тоже без формул, вполне достаточно все того же школьного уровня и взрослой логики. Начнем с урана — прикинем, что будет, если в его составе будет все больше делящегося урана-235 и, тем самым, все меньше не желающего делиться урана-235. Свободный нейтрон ударил в ядро урана-235, выбил два свободных нейтрона — вот это и будет происходить, то есть число свободных нейтронов будет нарастать лавинообразно, ведь паразитный уран-238, которого мало, поглощать их практически не будет. Но каждое соударение нейтрона с ядром это ядро раскалывает, высвобождая тем самым всю возможную внутриядерную энергию. Число свободных нейтронов растет как 1 — 2 — 4 — 8 — 16 и так далее, и в том же темпе разваливаются-раскалываются ядра урана-235, высвободившейся энергии становится все больше, уже никто ничего не контролирует — мы наблюдаем ядерный взрыв. Сначала теоретически вычислили, какая чистота урана требуется: для того, чтобы набирающая бешеный темп цепная ядерная реакция деления обеспечила взрыв, в уране должно содержаться 96% изотопа уран-235. После того, как тысячекратно проверили расчеты, занялись сущим пустяком — разрабатывать технологии, которые позволили убрать из природного урана 95,3% содержащегося в нем основного изотопа, урана-238. Ученые и инженеры именно тогда, в начале 40-х в Штатах и во второй половине 40-х у нас работали без продыху, выдавая на-горА технологии обогащения — диффузионную, электромагнитную, лазерную, на газовых центрифугах.

Огромная, совершенно неизвестная ранее работа, да еще и темп, который требовали военные в Штатах и который практически не требовали военные в СССР. Бесчеловечные взрывы над Хиросимой и Нагасаки наглядно показали, какой стала перспектива для наших городов и весей, для десятков миллионов граждан огромной страны. Мы помним весь ужас того, что вторили европейские нацисты на оккупированной территории Советского Союза: англичанами изобретенные концлагеря, расстрельные рвы, горящая Хатынь, «Циклон Б» от замечательной компании Фарбен Индастри, стыдливо переименованную наследниками гитлеровцев в BASF, заживо сожженные деревни Белоруссии, Псковщины, Новгородчины, опыты немецких медиков. Но все это не идет ни в какое сравнение с тем, к чему стремились американцы — они что тогда, что сейчас мечтают о возможности безнаказанно уничтожать миллионы людей в считанные мгновения. И те, кто работал под началом Игоря Курчатова и Лаврентия Берии, прекрасно, куда лучше, чем мы с вами в наше время, понимали, что такое подлинное торжество англосаксонской демократии. Это они свое лишнее население будут уничтожать медленно и со вкусом за счет ЛГБТ-повестки под соусом либерализма, планы в отношении нас с вами куда как проще — ядерное пепелище и тени миллионов людей, сожженных в ядерных пожарищах. Называть вот эту публику людьми или какими-то другими словами — личное дело каждого, лично у меня слово «люди» произнести не получается. Не нужно было никого из советских ученых и сотен тысяч простых рабочих, привлеченных к атомному проекту чем бы то ни было подгонять, они отлично понимали уровень безжалостной ненависти к нам со стороны англосаксов, времена тогда были куда как менее травоядными.

Извините за отступление, вернемся к делению ядер — в этом процессе есть несколько нюансов. Не каждое столкновение свободного нейтрона с ядром урана приводит к делению последнего с последующим появлением вторичных свободных нейтронов — в атомной, ядерной, квантовой физике все процессы имеют принципиально вероятностный характер. Невозможно с полной точностью предсказать и деление, можно только вычислить его вероятность. При делении ядра урана-235 быстрыми нейтронами в среднем выделяется 2,6 свободного нейтрона, при делении быстрыми нейтронами ядра плутония-239 в среднем выделяется 3,03 нейтрона. При этом вероятность того, что «плутониевые» нейтроны доберутся до следующего ядра, которое будет разделено после соударения, на 44% больше, чем в случае «урановых» нейтронов. Энергия, выделяемая при делении ядра плутония-239, на 3,5% выше, чем при делении ядра урана-235. С военной точки зрения мы видим важные преимущества плутония-239 над ураном-235: больше свободных нейтронов в процессе деления, больше вероятность деления ядер, большая энергия деления. То же, но другими словами — использование плутония-239 в качестве атомного боезаряда значительно эффективнее. Но и это еще не все: в плутонии-239 реакция деления идет быстрее — значит, в момент взрыва успеет провзаимодействовать большее количество этого вещества. Деление ведь начинается в центе боезаряда, выделяемая здесь энергия мгновенно становится тем самым взрывом, который разносит в стороны делящееся вещество, находящееся на периферии боезаряда. У любого делящегося ядерного вещества есть такая характеристика, как критическая масса: это минимальная масса, необходимая для начала самоподдерживающейся реакции деления. Вероятность деления ядра плутония-239, как я уже сказал, выше, чем вероятность деления ядер урана-235, но это еще не все — плутоний-239 почти на 5% плотнее урана-235. Всего две характеристики, но следствие из них крайне серьезное: критическая масса урана-235 составляет 50 кг, а критическая масса плутония-239 — всего 11 кг. В этот раз не будем касаться всевозможных технических решений, позволяющих снизить критическую массу, важнее всего именно это — масса атомной бомбы из плутония-239 по определению ниже массы атомной бомбы из урана-235, что значительно снижает требования к носителю, будь то самолет, ракета или торпеда. С практической точки зрения важно еще и то, что плутоний и уран — это два разных химических элемента, то есть отделить их друг от друга можно химическими методами, которые куда как проще с технической точки зрения, чем физические, которые необходимы для отделения урана-235 от основного урана-238. Потому выбор, сделанный нашими учеными под руководством Курчатова в 1945 году, был однозначен: прежде всего решить все проблемы получения плутония-239, чтобы американцы получили наш ответ как можно быстрее. Разумеется, шли и разработки по разделению изотопов урана, но это был уже, что называется, второй эшелон.

Сокровище Коми

Точка сборки

И теперь несколько слов о том, как производится плутоний — дело в том, что это на все 100% искусственный химический элемент, в природе планеты Земля его просто не существует. Период полураспада — время, в течение которого количество радиоактивного вещества уменьшается вдвое, его продолжительность зависит только от физических свойств вещества, то есть его невозможно изменить никакими способами. И уран, и плутоний радиоактивны, при этом период полураспада урана — 4,5 млрд лет, период полураспада плутония — всего 24 тысячи лет, за время существования нашей планеты плутоний, если он и имелся в начальном этапе, распался полностью. Образуются ядра плутония только в недрах ядерных реакторов — из ядер того самого, основного изотопа урана-238. С определенной вероятностью ядро урана-238 поглощает свободный нейтрон, включая его в состав ядра. Ядро урана-238 — это, напомню, 92 протона и 146 нейтронов, дополнительный, 147-й по счету, нейтрон, превращает уран-238 в уран-239. Но период полураспада урана-239 в миллиарды раз короче периода полураспада урана-238 — он составляет всего 23,5 минуты. За это время один из нейтронов тихонько сходит с ума, превращаясь в протон и электрон. Электрический заряд нейтрона — нуль, электрический заряд протона плюс единица, электрический заряд электрона минус единица, то есть при такой вот трансмутации закон сохранения электрического заряда не нарушается. Вот только делать образовавшемуся электрону в ядре урана просто нечего — и он улетает прочь, мы имеем дело с бета-излучением. Пусть летит, нас интересует то, что происходит в ядре при описанном процессе.

Число нейтронов уменьшается на единицу, число протонов на единицу увеличивается: нейтронов становится снова 146, зато протонов уже не 92, а 93. Химические свойства элемента зависят от количества протонов в его ядре, раз число протонов изменилось — это уже не уран. Химический элемент, в ядре которого 146 нейтронов и 93 протона — это нептуний, 93й элемент таблицы Менделеева. Он тоже целиком и полностью искусственный, в природе его нет, поскольку нептуний радиоактивен с периодом полураспада всего 2,33 суток. Распадается он по описанной схеме — за счет сумасшествия нейтрона с одновременным испусканием из ядра свежеобразовавшегося электрона, то есть за счет все того же бета-излучения. Нейтрон исчез — в новом ядре их теперь 145, протон родился — в новом ядре их теперь 94. Вот этот химический элемент с порядковым номером 94 в таблице Менделеева и есть тот самый плутоний-239. Элемент страшный, поскольку все современные ядерные и термоядерные боезаряды изготавливаются с его обязательным использованием. Элемент крайне необходимый — только то, что в арсеналах России его количество исчисляется десятками тонн, не дает возможности наиболее вероятному противнику полной демократизации и либерализации нашей страны.

Энергия атомного ядра действительно имеет две стороны — военную и энергетическую, причем эти стороны отделить друг от друга невозможно. Поэтому, собственно, мне и пришлось настолько подробно рассказывать о том, каким именно образом образуется плутоний-239 и каковы его физические свойства. Конечно, если есть желание, можно при случае припомнить все, что стало известно к нашему времени из открытых источников о ядерно-оружейной составляющей, но это точно отдельная история. А вот свойства плутония как химического элемента мы еще не единожды припомним, перебирая поколения АЭС. Если бы можно было обойтись без всего рассказанного, я бы так и сделал, но это без этого просто никак.

Как выглядела, так скажем, механическая составляющая реакторов первого поколения, мы уже почти выяснили: урановые блоки, закрепленные неподвижно по отношению друг к другу, графитовые блоки как один из способов замедления свободных нейтронов, вода под давлением, которая одновременно снимает температуру с ядерного топлива и служит вторым способом замедления нейтронов. Предполагаем, что со всем этим мы справились, но конечная цель (если не считать самых первых реакторов, которые создавались для того, чтобы на практике убедиться в возможности управления цепной реакции деления) — получить как можно большее количество плутония, причем именно плутония-239. Не будем вдаваться в подробности, но, поскольку все процессы в ядерной физике имеют вероятностный характер, примем как данность, что одновременно с образованием плутония-239 в активной зоне реактора идет накопление еще двух его изотопов — плутония-240 и плутония-241. Плутоний-240 для оружейных целей — крайне нежелательный элемент, поскольку имеет свойство, склонность к спонтанному делению, что вполне может привести к преждевременной детонации боезаряда. Пороговое значение его процентного содержания — 7%, в противном случае плутоний не пригоден для изготовления беозаряда. Плутоний-241, в принципе, так же удобен для реализации цепной реакции деления, вот только период его полураспада составляет всего 14 лет, продукт его распада — америций-241, который образуется уже знакомым бета-распадом. Основной изотоп америция — 95й элемент в таблице Менделеева, в ядре 95 протонов и 148 нейтронов, а в его изотопе америций-241 — 95 протонов и 146 нейтронов. Для ядерных боезарядов проблема как раз в том, что в них постепенно накапливается сначала плутоний-241, а затем и америций-241.

Америций-241, во-первых, очень слабо делится, во-вторых — очень сильно греется. Сплошная проблема — хранить ядерный боезаряд становится сложно, предсказать сработает он в нужное время — проблематично. Но ученые достаточно быстро нашли технологию очистки плутониевых боезарядов от америция-241 — тоже могу рассказать отдельно. С плутонием-240 все куда как сложнее, и как раз по его процентному содержанию плутоний и классифицируют. Оружейный плутоний или плутоний оружейного качества — содержащий не более 7% плутония-240, топливный плутоний — содержит от 7 до 18% плутония-240 и реакторный плутоний, содержащий более 18% изотопа плутоний-240.

Следствия из всего сказанного — для того, чтобы внутри урановых блочков было наработано максимальное количество плутония-239, но при этом плутония-240 в нем было минимальное количество, нужно точно рассчитать время, когда эти самые урановые блочки необходимо, грубо говоря, выдернуть из активной зоны реактора, после чего бегом-бегом мчаться с ними на радиохимический завод, чтобы ядерные химики или химические ядерщики сумели отделить плутоний от урана. Именно по этой причине подавляющее большинство реакторов-наработчиков — реакторы уран-графитовые, поскольку они не имеют корпуса, не имеют и верхней крышки, поскольку это дает возможность выхватывать урановые блочки в нужный момент. Разумеется, выгрузку и перегрузку ядерного топлива выполняют не вручную, а при помощи манипуляторов, поскольку уровень радиации зашкаливает, но и это отдельная история. На всякий случай напомню данные по США и по СССР: в Штатах были построены и работали 14 промышленных реакторов для наработки оружейного плутония — 9 в Хэнфорде, штат Вашинготон и пять — в Саванна-Ривер, штат Джорджия. Все они в настоящее время остановлены по условиям договора с Россией. В СССР промышленных реакторов (эдакий вот слэнг: читаем «промышленный реактор» - понимаем реактор для наработки оружейного урана первого поколения) было создано 18 штук: 10 — в Озерске на ПО «Маяк», пять — в Северске на СХК и три — в Железноводске на ГХК. Сибирские реакторы были окончательно остановлены к 2010 году, а вот в «Маяке» уникальный водо-водяной реактор «Руслан» и тяжеловодный корпусной «Людмила» работают и поныне, но плутоний на них уже не нарабатывается — они используются уже для мирных целей. ПО «Маяк» - один из крупнейших в Росатоме производителей различных изотопов, используемых в самых разных отраслях, и эта работа продолжается.

В истории развития атомного проекта не было ничего более активного, чем его начало, его самые первые годы. Мне кажется, что совпали два вектора: ученые разных стран не только старались сделать свой вклад в агрессивность или обороноспособность своих государств, но и, пользуясь невероятно щедрыми капиталовложениями, занимались экспериментальными проверками всех теоретических изысканий, сделанных в 20-е и 30-е годы минувшего века. Для создания первых, микроскопических доз загадочного плутония использовались все более мощные ускорители — и именно в то время специальная теория относительности из красивой теории стремительно превратилась в инженерно-прикладную технологию. На практике проверялись и перепроверялись различные модели атомной, ядерной, квантовой физики, государства финансировали новые направления в химической отрасли. Результаты экспериментов требовали все более совершенных систем вычисления — и внезапно получила возможность реализовать самые дерзкие задумки группы Неймана, появлялись совершенно новые направления в медицине, в материаловедении. Радиофизика, радиохимия, ядерная медицина, принципиально новое измерительное оборудование — это все оттуда, из конца 40х начала 50х годов. Тогда же теоретические расчеты Циолковского стали поверяться практикой — не потому, что кто-то думал о покорении космоса ради самой науки, а потому, что через околоземное космическое пространство можно было максимально результативно обрушить атомное и ядерное оружие на головы геополитических и идеологических противников. Фантастическое время было — мы позволяли себе роскошь иметь собственную идеологию, идущую вразрез идеологии коллективного Запада, сейчас нам об этом приказывают даже не мечтать... Я редко позволяю себе философствовать вслух, но тут не могу не подчеркнуть крайне циничный факт: человечество максимально быстро и максимально быстро развивает науку и технологию, вставая на грань братоубийственной войны или же активно готовясь к максимально широкой агрессии. Как только мы выходим из состояния жесткого противостояния, из клинча антагонистических идей — мы расслабляемся внутренне, наши государственные системы норовят уйти в спячку, и заканчивается это все появлением коллективного чубайса и вслед за ним — коллективного грефа, покушающегося на лавры профессора Выбегалло из «Понедельник начинается в субботу» с его попыткой вывести абсолютного потребителя. Не претендую на истину в последней инстанции, но лично я уверен, что момент, когда мой великий Советский Союз сделал первый шаг к пропасти, сопровождали две фразы: «Как же хочется пожить спокойно» и «Что угодно, лишь бы не было войны».

Ну вот и пожили в конце 70-х спокойно, и войны не случилось — сбылись чаяния, а через полтора десятилетия величайшая страна просто исчезла. Все, на этом остановлюсь, дальше без меня додумывайте, если желание есть.

Ядерные реакторы первого поколения предназначались для наработки плутония и наработки изотопа лития-6 — это просто факт. Уран-графитовые и на тяжелой воде, с минимальными системами безопасности — не до них тогда было, враг на пороге. И все шло по нарастающей: хотелось как можно больше и быстрее нарабатывать плутоний — строились более мощные реакторы. Для того, чтобы производить как можно больше плутония, требовался как можно более интенсивный поток свободных нейтронов, а для его создания необходимо было как можно более высокое содержание изотопа урана-235 в ядерном топливе. Больше свободных нейтронов — более интенсивное выделение тепла с риском перегрева ядерного топлива, чтобы снять эту проблему. Физикам-атомщикам требовались все более мощные насосы, качавшие воду для охлаждения. Своим путем пошли атомщики Британии — их промышленные реакторы были газоохлаждаемыми: тоже уран и графит как замедлитель нейтронов, а температура снималась потоками углекислого газа. От новой идеи до ее воплощения в железе — минимальное время, потому как государственные кураторы смирились с совершенно невероятным для них принципом: лучше рискнуть и ошибиться, чем не рискнуть и потом сожалеть об этом. Первый физический реактор — это действительно урановые блочки, стоящие друг на друге, но потоки воды шевелили их, что вызывало проблемы. Значит, блочки нужно помещать в трубки, которые должны обеспечить их неподвижность, при этом выдерживать температуру, давление, радиацию, да еще и не искажать, не деформировать потоки свободных нейтронов.

Во имя прибыли

Точка сборки

Пробовали сплавы алюминия, нержавеющей стали — пока не добрались до циркония. Однако не весь уран, который для заполнения твэлов стали изготавливать в виде колец, в активной зоне реактора ведет себя штатно.

Эту проблему в начале 50-х пытались решить шесть научных коллективов, но ничего не получалось более двух лет. В 1951 году Владимир Александрович Малых, 30 лет от роду с тремя курсами физфака МГУ за плечами, руководитель одного из отделов ФЭИ, посреди рабочего дня надел полный комплект радиационной защиты и, никому ничего не объясняя, принялся самыми обычными кусачками дробить урановые кольца на мелкие кусочки. И проблема была решена, а твэлы, в буквальном смысле слова созданные на коленке, получили вполне научное название «твэлы с топливной композицией из уран-молибденового сплава в виде крупки, диспергированной в теплопроводной матрице». Никаких шуток — я описал совершенно реальную историю о том, как были созданы твэлы для Первой АЭС. Ленинская премия, орден Ленина, персонально присвоенное Академией наук право без высшего образования защитить кандидатскую диссертацию и откровенное издевательство аттестационной комиссии, состоящей сплошь из маститых академиков, которые по результатам защиты выперли претендента взашей, но уже со званием не кандидата, а сразу доктора технических наук. Таких историй в нашем атомном проекте — десятки, если не сотни. Время такое было — важны были не научные звания и регалии, а способность мыслить неординарно и дерзко.

Остается отметить еще один удивительный момент: несмотря и не взирая на то, что работа всего научного коллектива под руководством Игоря Курчатова была, прежде всего, направлена на создание атомного, а потом и ядерного оружия, мысли о мирном применении атомной энергии появились уже в 1946 году, и это документально засвидетельствовано в протоколе одного из заседаний научно-технического совета Спецпроекта. Уран требовал все более совершенной системы охлаждения, и уже тогда появилась задумка, что воду можно довести до выкипания, а полученный пар направить на турбину, которая будет вырабатывать электроэнергию. От запуска реактора Ф-1, физического первого, до запуска реактора АМ-5, атом мирный 5 мегаватт прошло всего 8 лет: опыт, который нарабатывался в невероятном темпе на реакторах первого поколения, стал основой для реакторов второго поколения. Второе поколение реакторов — уже не военные, не для наработки плутония и лития, а совершенно конкретно — для выработки электроэнергии. Занимательно, но и реакторы первого поколения в Англии и у нас в СССР использовались по двойному назначению. Запущенная в 1956 году в Селлафилде АЭС «Колдер Холл» состояла из четырех энергоблоков на базе графито-газовых реакторов «Магнокс» электрической мощностью по 49 МВт каждый, на которых одновременно с выработкой электроэнергии нарабатывался оружейный плутоний. В 1958 году в Северске был введен в эксплуатацию атомный энергоблок на базе реактора ЭИ-2 электрической мощностью 100 МВт, в 1961 году с пуском энергоблока на базе реактора АДЭ-3 мощность была доведена до 500 МВт. Оба реактора при этом были промышленными, то есть одновременно уверенно нарабатывали оружейный плутоний. Тремя годами позже в Железногорске, на ГХК были введены в эксплуатацию реакторы АДЭ-1 и АДЭ-2, работавшие на общую турбину мощностью 500 МВт — таков был состав первой и единственной в истории атомного проекта подземная АЭС.

И в Северске, и в Железногорске реакторы вырабатывали не только электрическую, но и тепловую энергию, то есть это были самые настоящие атомные ТЭЦ на базе промышленных реакторов — единственные и неповторимые. Но это, конечно, экзотика, которая была возможна только на заре атомной эры. Опыт, наработанный на промышленных реакторах, дал старт второму этапу развития атомной энергетики, который в нашей стране начался пуском реактора АМБ-100 в составе Белоярской АЭС в 1964 году, а тремя годами позже там же началась эксплуатация реактора АМБ-200. Но об этом — уже в следующий раз.