История атомной отрасли: от открытия радиоактивности до Росатома

• 1896Беккерель открывает радиоактивность
• 1946реактор Ф-1 — первая цепная реакция в Европе
• 1954Обнинская АЭС даёт ток в энергосеть
• 5 МВтэлектрическая мощность первой АЭС

Открытия: от лучей Беккереля до деления ядра

В 1896 году французский физик Анри Беккерель обнаружил, что соли урана засвечивают фотопластинку, завёрнутую в чёрную бумагу, без всякого освещения. Уран сам испускал невидимое проникающее излучение. Так была открыта радиоактивность; само слово вскоре ввели в оборот Мария и Пьер Кюри.

В 1898 году супруги Кюри, исследуя урановую руду, которая оказалась активнее самого урана, открыли два новых элемента — полоний и радий. В 1903 году Беккерель и супруги Кюри разделили Нобелевскую премию по физике.

В 1911 году Эрнест Резерфорд по опытам с рассеянием альфа-частиц на тонкой золотой фольге предложил ядерную модель атома: почти вся масса сосредоточена в крошечном положительно заряженном ядре, вокруг которого движутся электроны. Подробнее об устройстве атома — в статье «Что такое атом».

В России значение нового явления одним из первых оценил Владимир Вернадский. В 1910 году в речи «Задачи дня в области радия» он назвал радиоактивность источником энергии, далеко превосходящим все известные, и призвал искать радиоактивные руды. В 1921 году группа Виталия Хлопина получила первые отечественные препараты радия, а в 1922 году в Петрограде открылся Радиевый институт во главе с Вернадским. В 1930-е годы ядерной физикой занялись и в Ленинградском физико-техническом институте Абрама Иоффе, где сложилась группа Игоря Курчатова.

В 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон — частицу без электрического заряда с массой, близкой к массе протона. В том же году Дмитрий Иваненко и независимо от него Вернер Гейзенберг предложили модель ядра из протонов и нейтронов. Нейтрон оказался идеальным «снарядом» для опытов с ядрами: заряда у него нет, и ядро его не отталкивает.

В 1934 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность: облучённые альфа-частицами лёгкие элементы сами становились радиоактивными. В том же году Энрико Ферми начал облучать нейтронами разные элементы, в том числе уран, и обнаружил, что замедленные нейтроны вызывают ядерные реакции намного эффективнее быстрых.

В конце 1938 года немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман нашли среди продуктов облучения урана барий — элемент почти вдвое легче. В начале 1939 года Лиза Мейтнер и Отто Фриш объяснили результат: ядро урана раскалывается на две части с выделением огромной энергии. Процесс назвали делением ядра: английский термин fission Фриш позаимствовал у биологов, описывающих деление клетки. Подробно о нём — в статье «Деление ядра и цепная реакция».

Ключевые вехи: от открытия радиоактивности до современных реакторов на быстрых нейтронах и плавучей атомной станции. Подробности — в тексте статьи.

Цепная реакция и атомный проект

Вскоре выяснилось, что при делении ядра урана вылетают в среднем два-три новых нейтрона. Каждый из них может расщепить следующее ядро — так возникает цепная реакция. В 1939–1940 годах условия её протекания в уране рассчитали советские физики Яков Зельдович и Юлий Харитон.

В 1940 году Георгий Флёров и Константин Петржак, работавшие в Ленинграде в группе Игоря Курчатова, открыли спонтанное деление урана: ядра изредка делятся сами, без внешнего нейтрона. Чтобы исключить влияние космических лучей, контрольные измерения провели глубоко под землёй — на станции московского метро «Динамо».

2 декабря 1942 года в Чикаго группа Энрико Ферми впервые получила самоподдерживающуюся цепную реакцию — в реакторе CP-1, сложенном из графитовых блоков с ураном под трибунами университетского стадиона. В СССР прерванные войной работы по урану возобновили в 1942 году, а в 1943 году в Москве создали Лабораторию № 2 Академии наук во главе с Игорем Курчатовым — будущий Курчатовский институт.

Советский атомный проект: от Лаборатории № 2 до Минсредмаша

• 1943в Москве создана Лаборатория № 2 во главе с Курчатовым
• 1945Первое главное управление во главе с Ванниковым
• 1948первый промышленный реактор на будущем «Маяке»
• 1949первое советское ядерное испытание
• 1953создан Минсредмаш — он управлял отраслью до 1989 года

В 1945 году для руководства атомной промышленностью образовали Первое главное управление во главе с Борисом Ванниковым; научным руководителем всего проекта оставался Курчатов. 25 декабря 1946 года в Лаборатории № 2 заработал уран-графитовый реактор Ф-1 — в нём впервые в Европе была получена управляемая цепная реакция. Реактор прослужил многие десятилетия.

В 1948 году на Южном Урале, на комбинате, который позднее стал производственным объединением «Маяк», пустили первый в стране промышленный реактор. В 1949 году прошло первое советское ядерное испытание. В 1953 году для управления отраслью образовали Министерство среднего машиностроения — Минсредмаш. Оно объединило всё, от добычи урана до научных институтов и строительных организаций, и просуществовало до 1989 года; дольше всех, с 1957 по 1986 год, министерство возглавлял Ефим Славский.

Мирный атом: первая АЭС, ледокол и токамак

27 июня 1954 года в Калужской области дала ток в энергосеть Обнинская АЭС — первая в мире атомная электростанция, подключённая к общей электросети. Её уран-графитовый реактор АМ-1 с водяным охлаждением имел тепловую мощность 30 МВт, а электрическая мощность станции составляла 5 МВт. Станцию создавали в Лаборатории «В» (ныне Физико-энергетический институт) под руководством Дмитрия Блохинцева, реактор конструировал коллектив Николая Доллежаля.

Обнинская АЭС проработала до 2002 года и стала школой для целого поколения атомщиков: на ней испытывали твэлы и материалы, учили персонал будущих станций. В 1955 году на Женевской конференции ООН по мирному использованию атомной энергии о ней рассказали мировому научному сообществу, а в 1957 году было создано Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ).

Обнинская АЭС: мощность реактора и станции

• 30 МВттепловая мощность реактора АМ-1
• 5 МВтэлектрическая мощность станции

В 1957 году в Ленинграде спустили на воду атомный ледокол «Ленин» — первое в мире надводное судно с ядерной энергетической установкой. В строй он вошёл в 1959 году, проработал в Арктике три десятилетия и теперь стоит в Мурманске как музей.

В 1958 году в Институте атомной энергии — так тогда назывался Курчатовский институт — запустили Т-1, первый токамак. Название сокращает слова «тороидальная камера с магнитными катушками»: в такой установке горячую плазму удерживает магнитное поле. Идея магнитного удержания плазмы для управляемого термоядерного синтеза восходит к работам Игоря Тамма и Андрея Сахарова начала 1950-х годов. По схеме токамака сегодня строят международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР.

Большая атомная энергетика

В 1960–1980-е годы атомные станции стали частью единой энергосистемы страны. Сложились основные отечественные типы энергетических реакторов: корпусные водо-водяные ВВЭР, канальные уран-графитовые РБМК и реакторы на быстрых нейтронах серии БН. Чем они различаются, рассказано в статье «Как устроен ядерный реактор».

Обе первые станции стали испытательными площадками. На первых блоках Белоярской АЭС отрабатывали ядерный перегрев пара прямо в реакторе, а на Нововоронежской АЭС впервые пустили энергоблоки с ВВЭР-210, ВВЭР-365, ВВЭР-440 и ВВЭР-1000.

Реакторы на быстрых нейтронах занимают в этой истории особое место. Они способны нарабатывать новое топливо — плутоний — из урана-238, которого в природном уране больше 99 %, и тем самым многократно расширяют топливную базу атомной энергетики. На этой идее строится замкнутый топливный цикл — о нём рассказано в статье «Ядерный топливный цикл».

1986 год: авария и её уроки

26 апреля 1986 года на четвёртом энергоблоке Чернобыльской АЭС с реактором РБМК-1000 во время испытаний произошла авария: неуправляемый рост мощности разрушил реактор, и радиоактивные вещества попали в атмосферу. Жителей Припяти и населённых пунктов 30-километровой зоны эвакуировали, а к концу 1986 года над разрушенным блоком возвели защитное сооружение «Укрытие». Это крупнейшая авария в истории атомной энергетики: по Международной шкале ядерных событий INES ей присвоен высший, седьмой уровень.

Авария изменила подход к безопасности во всём мире. Главные уроки:

• Доработка реакторов. На всех РБМК изменили активную зону и аварийную защиту: уменьшили паровой коэффициент реактивности, установили дополнительные поглотители, ускорили срабатывание защиты.
• Культура безопасности. Это понятие ввела Международная консультативная группа по ядерной безопасности при МАГАТЭ: безопасность — высший приоритет, которому подчинены и техника, и организация работ, и поведение каждого работника.
• Новые нормы. Пересмотрены «Общие положения обеспечения безопасности атомных станций» (ОПБ-88): требования к проектам и эксплуатации стали строже.
• Международный обмен опытом. В 1986 году приняты конвенции об оперативном оповещении о ядерной аварии и о помощи в таких случаях, а в 1989 году создана Всемирная ассоциация организаций, эксплуатирующих атомные электростанции (ВАО АЭС).

От Минсредмаша к Росатому

После 1986 года система управления отраслью несколько раз перестраивалась:

1. 1986 — для управления атомными станциями создано Министерство атомной энергетики СССР.
2. 1989 — его объединили с Минсредмашем в Министерство атомной энергетики и промышленности СССР.
3. 1992 — образовано Министерство Российской Федерации по атомной энергии (Минатом России).
4. 2004 — Минатом преобразован в Федеральное агентство по атомной энергии.
5. 2007 — создана Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом».

Госкорпорация объединила предприятия ядерного топливного цикла, атомной энергетики и машиностроения, научные институты, оборонные предприятия и атомный ледокольный флот. Отрасль управляется как единое целое — от добычи урана до вывода станций из эксплуатации.

Современность: БН-800, ВВЭР-1200 и плавучая станция

В 2016 году на Белоярской АЭС ввели в промышленную эксплуатацию энергоблок с реактором БН-800. Он рассчитан в том числе на смешанное уран-плутониевое MOX-топливо и стал важным шагом к замыканию топливного цикла.

В 2016 году к сети подключили, а в 2017 году ввели в промышленную эксплуатацию первый энергоблок с реактором ВВЭР-1200 — на Нововоронежской АЭС-2. Это проект поколения «3+»: к активным системам безопасности добавлены пассивные, которые работают без электропитания и вмешательства персонала, а под реактором установлено устройство локализации расплава — так называемая ловушка.

В 2020 году в Певеке на Чукотке ввели в промышленную эксплуатацию плавучую атомную теплоэлектростанцию «Академик Ломоносов». Её реакторные установки КЛТ-40С созданы на основе ледокольных; два реактора дают по 35 МВт электрической мощности и снабжают город электричеством и теплом. В том же году в строй вошёл головной атомный ледокол нового поколения «Арктика» — тёзка того, что в 1977 году первым дошёл до полюса.

БН-800, ВВЭР-1200 и «Академик Ломоносов»

От засвеченной фотопластинки Беккереля до плавучей атомной станции прошло меньше 125 лет. За это время лабораторное открытие превратилось в отрасль, которая объединяет добычу урана, производство топлива, машиностроение, энергетику и науку.

Термины

• РадиоактивностьСамопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер, сопровождающееся излучением.
• Деление ядраРаскалывание тяжёлого ядра на два осколка с выделением энергии и нескольких нейтронов.
• Цепная реакцияПроцесс, в котором нейтроны от одного деления вызывают следующие деления.
• Спонтанное делениеСамопроизвольное деление тяжёлого ядра без попадания в него внешнего нейтрона.
• ТокамакУстановка для удержания высокотемпературной плазмы магнитным полем в тороидальной камере.
• ВВЭРВодо-водяной энергетический реактор: корпусной реактор, в котором вода служит и теплоносителем, и замедлителем.
• РБМКРеактор большой мощности канальный: уран-графитовый реактор, в каналах которого кипит вода.
• Культура безопасностиПодход, при котором безопасность — высший приоритет для организации и каждого работника.

Частые вопросы

Где и когда построили первую в мире АЭС?

Первой в мире атомной электростанцией, давшей ток в энергосеть, стала Обнинская АЭС в Калужской области — 27 июня 1954 года. Её электрическая мощность составляла 5 МВт, станция проработала до 2002 года.

Когда был запущен первый ядерный реактор?

Первую самоподдерживающуюся цепную реакцию получили 2 декабря 1942 года в Чикаго на реакторе CP-1 под руководством Энрико Ферми. В Европе первым стал реактор Ф-1, запущенный в Москве 25 декабря 1946 года.

Кто руководил советским атомным проектом?

Научным руководителем был Игорь Васильевич Курчатов. Промышленной частью с 1945 года руководило Первое главное управление во главе с Борисом Ванниковым, а с 1953 года отраслью управлял Минсредмаш.

Что такое Минсредмаш?

Министерство среднего машиностроения СССР, созданное в 1953 году, управляло атомной отраслью — от добычи урана до научных институтов и строительства. В 1989 году его объединили с Министерством атомной энергетики СССР.

Когда был создан Росатом?

Государственная корпорация «Росатом» создана в 2007 году. Её предшественники — Минсредмаш, Министерство атомной энергетики и промышленности СССР, Минатом России и Федеральное агентство по атомной энергии.