Ссылка на полный текст: Доллежаль Н. А. У истоков рукотворного мира. Записки конструктора | Электронная библиотека | История Росатома
Навигация:
Сбор сведений о немецких предприятиях химического машиностроения
Привлечение НИИхиммаш к реализации советского атомного проекта
От реакторов молекулярных к реакторам атомным
Идея вертикальной компоновки атомного реактора
Реактор для атомной электростанции
Выбор материала для трубок тепловыделяющих элементов
Научно-исследовательский и конструкторский институт энергетической техники
Тот счастливый май, ознаменованный победным окончанием войны, запомнился мне и еще одним событием. Едва в столице отзвучал грандиозный салют в честь войск, овладевших Берлином, я был вызван к наркому.
Поздравляю вас с присвоением воинского звания инженер-полковника, — ошарашил меня Паршин.
Вот это да! — изумился я. - Полковник, который не знает, с какой стороны заряжается револьвер.
Зато знает, как делать минометы. Но шутки в сторону. Вы направляетесь в срочную спецкомандировку. Во исполнение решения Государственного Комитета Обороны полетите в Германию. Дело состояло в следующем. Как решили руководители союзных держав на Ялтинской конференции, побежденная Германия должна была полностью лишиться военной индустрии и передать победителям часть своего промышленного оборудования в качестве репараций. На немецкой территории, занятой нашими войсками, уже начался демонтаж некоторых заводов. Специалисты с этой целью выехали на место. Вы ведь владеете немецким языком, не так ли? — сказал Петр Иванович. — Это очень существенно. Вам предстоит заняться сбором технических архивов предприятий химического машиностроения. Поиск будет нелегкий, на блюдечке с голубой каемкой вам их не принесут. Поспешите получить военную форму, удостоверения, проездные. Вылет в Берлин через три дня. В помощники я получил своего ниихиммашевца, срочно произведенного в майоры. Был он инженером, специалистом по холодильным установкам.
После “Пинча” я взялся за поиски технической документации известной фирмы “Борзиг” — производителя поршневых компрессоров и прочих видов химического оборудования. Занимался также и другими, менее именитыми, но весьма интересными для нас предприятиями. Работа была напряженной, изнуряющей, но зато и достаточно продуктивной, дающей пищу для ума. На химкомбинате “Лауне”, например, я снова убедился, что техника высокого давления занимала все большее место в германской химической промышленности и не переставала совершенствоваться. Там же увидел в натуре циркуляционный турбокомпрессор — над созданием такой машины как раз трудились наши конструкторы.
Техникой высокого давления был насыщен и завод близ Штеттина, производившей синтин — синтетический бензин. Сырьем для него служил низкосортный уголь.
Мне вспомнились тогда работы Михаила Борисовича Рапопорта — большого специалиста в этой области, работы, которые он проводил с начала тридцатых годов, подвергая переработке наши угли. Для этого в Москве, в Замоскворечье была построена экспериментальная установка, где использовалась аппаратура высокого давления. Он не раз встречался со мной, обсуждал возможности ее совершенствования.
Едва я снял военную форму и вышел на работу, секретарша положила мне на стол выписку из постановления правительства об откомандировании шести или семи сотрудников НИИхиммаша в распоряжение какой-то Лаборатории № 2 Академии наук СССР. Нервы мои были до крайности расшатаны в очень напряженной командировке. А тут происходил грабеж средь бела дня: отнимали лучших конструкторов, цвет института, его костяк! И это при нашем острейшем голоде на подготовленные кадры! Номерных институтов, лабораторий, КБ особенно много появилось во время войны. Работали они для фронта и по причине секретности развернутых наименований не имели. Но теперь-то война кончилась. Какая из народно-хозяйственных отраслей могла по своему значению столь превосходить химическое машиностроение, что получала право бесцеремонно забирать у него лучших людей? Людей, имеющих такой редкий опыт конструирования оригинальных машин?
Поздняков позвонил и сказал, что хочет поехать со мной в одну из лабораторий Академии наук. Вот тут все и выстроилось в одну цепочку: вторжение в жизнь нашего института Лаборатории № 2, первухинский зондаж, книга Смита. Вставал только один вопрос: а чем тут могу быть полезен я или ведущие конструкторы НИИхиммаша?
Сектор, в который вошли конструкторы НИИхиммаша, занятые урановым реактором, был утвержден решением правительства и получил кодовое наименование ”Гидросектор”. Это сразу же существенно изменило нашу зарплату и категорию продовольственных карточек. Но главное, по моей просьбе состав сектора пополнился специалистами из других конструкторских организаций. Незамедлительный отклик встретила также просьба подключить к нашей теме еще несколько институтов. Помощь нам теперь оказывали возглавляемое A.C. Абрамовым конструкторское бюро Министерства авиационной промышленности, Институт авиационных материалов во главе с членом-корреспондентом Академии наук СССР A.B. Акимовым, Институт физической химии, руководимый академиком А.Н. Фрумкиным, Всесоюзный институт гидромашиностроения, представленный профессором В.В. Мишке.
Очень большой объем работ по металлоконструкциям взял на себя директор “Проектстальконструкции” Н.П. Мельников, о котором я уже упоминал. А разработку проекта здания под реактор и изготовление строительных чертежей поручили одному из ленинградских институтов. Вообще заниматься организационными делами, вступать в контакты с научными учреждениями напрямую или через министерства стало много легче. В кабинете у меня поставили телефон правительственной связи. А в каких-то случаях обращаться вовне было удобнее через специального уполномоченного Совета Министров — в институте ввели и такую должность.
Большая группа сотрудников, которую возглавил мой заместитель Илья Ильич Саламатов, тоже выполняла задание, имевшее отношение к атомным проблемам: разрабатывала химическую аппаратуру для отделения плутония от урана и его очистки. Следить за всем этим мне удавалось лишь урывками. Приходилось больше полагаться на заместителей. Проект реактора, включая все важнейшие проверки его узлов, мы закончили в июле. Помнится, как ехал я к Курчатову с кальками, а острое чувство тревоги не давало покоя. Ведь тот экспериментальный реактор, что сооружали сами физики в Лаборатории № 2, еще не был готов. А здесь — чертежи, по которым начнется строительство очень мощных (по тем временам) и крупных промышленных реакторов, строительство необычайно дорогое, исключительно важное для интересов государства. Где гарантия, что пуск экспериментального “котла” не перечеркнет наш проект или как минимум не потребует коренной его переработки?
Эскизы, продемонстрированные мне при первом знакомстве в Лаборатории № 2, формулировки и величины, содержащиеся в техническом задании, поначалу не давали полного представления о всей сложности нашей задачи. Принципы действия устройства реактора ясны. В металлическом корпусе — графитовые блоки с горизонтальными каналами для урановых блоков и регулирующих стержней — поглотителей нейтронов. Общая масса урановых блоков должна достигать рассчитанной физиками необходимой величины, при которой начинается и поддерживается цепная реакция деления атомов урана.
Вот ее механизм. Атомы одного из легких изотопов урана (природный уран иногда приходится им обогащать, ибо он очень беден этим изотопом) самопроизвольно рождают нейтроны. Попадая в родственный атом, эта элементарная частица поглощается им или раскалывает его ядро, что приводит к образованию новых элементов и высвобождению огромного количества кинетической энергии. Процесс деления сопровождается выбросом нескольких вторичных нейтронов разных энергий: медленных (тепловых), промежуточных и быстрых. Медленные, попадая в атомы легкого изотопа, способны вызвать аналогичное деление с наибольшей вероятностью. Но поскольку медленных нейтронов мало, реакция может заглохнуть. Чтобы такого не случилось, используют замедлитель (в нашем случае графит). Часть быстрых нейтронов, попадая в него, отражается, замедляет свой полет и приобретает способность также вызывать эффективное деление “легких” ядер. В результате число делящихся атомов легкого изотопа нарастает, умножая, в свою очередь, число вторичных нейтронов. Реакция приобретает незатухающий характер и продолжается до тех пор, пока не “выгорит” все “топливо”. Другая часть нейтронов, попадая в атомы тяжелого изотопа (а он как раз и составляет основную массу урана в реакторе), вызывает ряд превращений, венец которых — рождение нового элемента — плутония. По своим ядерным свойствам он близок легкому изотопу урана и тоже (даже еще лучше) может использоваться в качестве атомной взрывчатки. (Читатель, наверное, вспомнит, что на Хиросиму была сброшена атомная бомба с урановым зарядом, а на Нагасаки - с плутониевым).
Для получения плутония и создается наш промышленный реактор, ибо добывать легкий изотоп урана гораздо сложнее и дороже. Ну а чтобы реакцией можно было управлять, замедлять ее или совсем останавливать, применяются стержни — поглотители нейтронов. Когда все они полностью введены в активную зону уранового реактора, цепной процесс деления ядер прекращается. А как используется та кинетическая энергия, что образуется при ядерном делении? Да никак. Она проявляет себя в виде энергии тепловой, в нашем случае ненужной, а потому и вредной. Ее придется отводить, то есть охлаждать урановые блоки. Такова в самых общих, очень приблизительных чертах схема действия уран-графитового реактора на медленных нейтронах, который нам предстояло создать.
На главные вопросы о массе урановых блоков и соотношении в них изотопов, о количестве графита, о требованиях к чистоте материалов, об энергетических характеристиках цепной реакции — ответ был за физиками. Однако и на нашу долю выпадало достаточно проблем. Они касались выбора многих конструкционных материалов и способов их неразъемного соединения. Нужно было придумать систему управления стержнями-регуляторами. И приемы извлечения урана из реактора. И многое, многое другое. Чем больше мы вгрызались в эти проблемы, тем яснее вырисовывался их подлинный размах. И приходило осознание жесткой истины, что одним нам этот воз за короткий срок с места не сдвинуть. Для принятия инженерных решений нужно было, например, точно знать, как будут деформироваться под влиянием высокой температуры и собственного веса урановые блоки, как поведут себя при такой температуре и в условиях радиации другие материалы. И еще множество разных вещей.
Пришлось обратиться за советом и помощью к известному металловеду члену-корреспонденту Академии наук Ивану Августовичу Одингу и к профессору (будущему академику) Николаю Прокофьевичу Мельникову, руководителю института “Проектстальконструкция”. Именно Мельников взял на себя подготовку рабочих чертежей всех металлоконструкций, окружающих реактор.
За разговором я машинально взял в руку наполовину сломанный спичечный коробок и постукивал его торцом по столу. Взгляд остановился на подпрыгивающих спичках. Где-то в глубине сознания шевельнулась неясная еще мысль. Что-то связанное с работой, с чем-то ускользающим, мучительно-саднящим ... И вдруг — вспышка, озарение! Я даже перестал слышать Гончарова. Ну конечно, наш реактор требовалось развернуть на девяносто градусов, поставить его, сделать не горизонтальным, а вертикальным! Это сразу снимало многие вопросы. И прежде всего — о деформации конструктивных элементов при нагреве. Они по своей механической сути переставали быть нагруженными.
В тот же день я со своими конструкторами начал проработку вертикального варианта. Когда появились первые эскизные очертания новой конструкции, посвятил в свои замыслы Игоря Васильевича, объяснил ему, в чем, на мой взгляд, имела преимущества такая схема. Хоть он и не был инженером-конструктором, но доводы мои схватил быстро, поверил в них.
... ставить эксперименты мы начали вскоре же после мартовского заседания комиссии, открывавшего зеленый свет нашему проекту. При этом частенько приходилось пускаться на всякого рода выдумки. Для опробования надежности вертикального канала, замера его гидравлических характеристик использовали одну из лифтовых шахт в главном корпусе института. Импровизация оказалась удачной: получился полномасштабный стенд. А подвал здания приспособили для проверки системы разгрузочных устройств. И приспособили, надо сказать, вполне успешно. Почти все узлы для натурных испытаний быстро изготавливались на нашем экспериментальном заводе. Вот когда в полной мере проявились преимущества триединой системы, НИИхиммаша! В особенности — выгоды, приносимые собственной производственной базой. Именно такая структура позволяла в кратчайшие сроки создать надежную конструкцию промышленного атомного реактора.
Как нам объявили, проект промышленного ядерного реактора, параллельно с НИИхиммашем, разрабатывала группа ленинградских конструкторов — их я видел при знакомстве с Курчатовым в Лаборатории № 2. Это было разумно: привлечение двух коллективов исключало монополизм, давало возможность выбора. И такой выбор должна была сделать высокая комиссия в середине марта. На все и про все у нас оставалось меньше месяца. В состав комиссии, помимо Курчатова, входили известные организаторы промышленности и политические деятели: Борис Львович Ванников, Василий Семенович Емельянов, Авраамий Павлович Завенягин, Вячеслав Александрович Малышев, Михаил Георгиевич Первухин, Борис Сергеевич Поздняков, Ефим Павлович Славский. В атомных делах они опытом, понятно, не располагали, но каждый из них обладал высокой инженерной эрудицией, не говоря уже о навыке в анализе сложных технических задач и большом жизненном опыте.
“Ленинградский” вариант был выполнен по горизонтальной схеме и выглядел принципиально слабее нашего. Да и проработан он был менее тщательно. Преимущества вертикальной схемы оценили все члены комиссии. Наш эскизный проект признали вполне приемлемым для дальнейшей проработки и создания на его основе крупного промышленного реактора.
Игорь Васильевич не терпел пустопорожних разговоров. За словом у него немедленно следовало дело. Так и тут. Он сразу же принялся за координацию усилий людей, знания и опыт которых могли пригодиться для разработки проекта атомной электростанции. Меня, в частности, он свел со своим сотрудником Савелием Моисеевичем Фейнбергом. Ему были поручены физические расчеты реактора, мне — инженерные. Для начала надо было, конечно, решить главное: какой тип реактора взять для проработки. Ведь урановые реакторы могут различаться по многим признакам. По тому, на каких нейтронах они действуют: медленных или быстрых. По используемому замедлителю: им может быть графит, тяжелая или обычная вода, чистый бериллий или его окислы (правда, к применению бериллия пришли позже). По теплоносителю, в роли которого может выступать вода, газ, жидкий металл. На этот счет наше решение было единодушным: разрабатывать реактор на медленных нейтронах, с графитовым замедлителем и водяным теплоносителем. Эти принципы не только уже получили солидное теоретическое обоснование, но и прошли определенную практическую проверку в первом промышленном реакторе, сократив число неизбежных неожиданностей в будущем. Правда, как предупредил Курчатов, возможны и другие варианты, ибо не нам одним предложено представить свой проект.
В состязание включается Институт физических проблем, руководимый старым знакомым Игоря Васильевича Анатолием Петровичем Александровым. И группа Александра Ильича Лейпунского из Физико-энергетического института (тогда еще носившего статус лаборатории). Выбор сделает технический совет Министерства среднего машиностроения, которое теперь ведало производством атомных реакторов. Технический совет, в состав которого входил Курчатов, собрался в начале 1950 года. Рассматривал он два проекта: наш и “шарик” Института физических проблем.
Группа Лейпунского со своей разработкой (реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем) к сроку не управилась. У нее тогда были лишь богатые идеи и предварительные наметки, которые, кстати сказать, удалось по-настоящему реализовать только через несколько лет. “Шарик” получил свое прозвище из-за формы, которой обладал представленный на эскизе реактор. Главной его особенностью был газообразный теплоноситель. Преимуществ по сравнению с водой это тогда не давало, а неисследованных вопросов прибавляло значительно.
Конструирование реактора для атомной электростанции возложили на НИИхиммаш, разработку электростанции в целом — на один из ленинградских НИИ, возглавляемый А.И. Гутовым. Мощность станции планировалась в 5000 киловатт. Цифра эта возникла отчасти благодаря случаю. В то время имелся вполне конкретный турбогенератор такой мощности. Его списали с МОГЭСа и переправили в строящийся городок Обнинск, где создавался Физико-энергетический институт. Именно там и решили сооружать атомную электростанцию. В НИИхиммаше снова возникла специальная группа. От остального коллектива ее отделял, пожалуй, не столь высокий барьер, как прежде, но о снижении режима секретности речи не шло. Да и не могло идти.
Реактор задумывался по хорошо зарекомендовавшей себя вертикальной схеме. Только вместо урановых стержней конструкция предусматривала урановые тепловыделяющие элементы — твэлы (эта аббревиатура быстро прижилась и вошла в официальный технический лексикон). В чем была разница между ними? Стержень вода обтекала снаружи. Твэл же представлял собой двустенную трубку. Между стенками располагался обогащенный уран, а по внутреннему каналу протекала вода. Расчеты показывали, что при такой конструкции нагреть ее до нужных температур намного проще.
Итак, из эскизных чертежей вырисовывался следующий облик реактора. В средней части цилиндрического корпуса диаметром более полутора метров находилась активная зона — графитовая кладка высотой около 170 сантиметров, пронизанная каналами. Одни из них предназначались для твэлов, другие — для различных стержней: поглощающих избыточные нейтроны, автоматически поддерживающих реакцию на заданном уровне, обеспечивающих аварийную защиту. Это и дало название типу реактора — канальный. В нижнюю часть сборки тепловыделяющих элементов поступает холодная вода, которая на самом деле отнюдь не холодна: ее температура 190 градусов. Пройдя через твэлы и став на 80 градусов горячее, она попадает в верхнюю часть сборки, а оттуда в коллектор горячей воды. Чтобы не вскипеть, не превратиться в пар (это могло бы вызвать ненормальную работу реактора), она находится под давлением в 100 атмосфер. Из этого коллектора горячая и приобретшая радиоактивность вода течет по трубопроводу в теплообменник-парогенератор, после чего, пройдя через циркуляционный насос, возвращается в коллектор холодной воды. Это так называемый первый контур.
Теплоноситель (то есть вода) циркулирует в нем по замкнутому кругу, не проникая наружу. Во втором контуре вода выступает в роли рабочего тела. Она нерадиоактивна, безопасна для окружающих. Нагревшись в теплообменнике до температуры 260 градусов и превратившись в пар, она подводится к турбине, где и производит свою полезную работу. Покинув турбину, пар конденсируется и снова устремляется в парогенератор. По правде говоря, на подобных электростанциях можно обходиться и одноконтурной схемой. В воде после нейтронной бомбардировки радиоактивность в основном проявляет кислород, но он быстро теряет это свойство. И если трубопровод, ведущий из коллектора горячей воды, имеет достаточную протяженность, то пар на выходе из него окажется совершенно безвредным. Ею не страшно подавать прямо в турбину.
Позже некоторые энергореакторы, если позволяли технические условия, и строили одноконтурными. Но, во-первых, тогда багаж наших знаний был далеко не полон, и мы стремились застраховаться от любых неприятностей. А во-вторых, хотелось сразу отработать более сложную систему, единственно возможную во многих случаях.
Если вернуться назад, ко времени, когда начиналось проектирование реактора, то и перед конструкторами стоял головоломный вопрос: из какого материала делать трубки тепловыделяющих элементов? Этот материал должен был обладать прочностью, противокоррозионной стойкостью, способностью не менять своих свойств под длительным воздействием радиации. Из всего, что имелось тогда, ближе всех подходила к этим требованиям нержавеющая сталь. Однако у физиков имелась к ней серьезная претензия: она бесполезно, и притом сильно, поглощала нейтроны. А это значило, что потребуется повысить процент обогащения уранового топлива, то есть пойти на его удорожание. И все-таки, все-таки ...
Не раз, не два советовался я с Игорем Васильевичем. И решение всякий раз было одним: нержавеющая сталь. Любой другой из имевшихся тогда материалов сократил бы срок службы твэлов, не обеспечил бы надежной защиты ядерного горючего от соприкосновения с водой, что было совершенно недопустимо.
К тому времени, когда накопится опыт и появится возможность браться за мощные реакторы, мы наверняка будем иметь более подходящие материалы. Металловедение тоже не стоит на месте. (И действительно, много позже, при проектировании больших энергетических реакторов канального типа для оболочки твэлов уже имелся сплав циркония, вполне удовлетворительный по своей способности пропускать нейтроны. Но это, повторяю, произошло много позже). Физикам пришлось рассчитывать процент обогащения урана применительно к стальной одежде твэлов. А нам — толщину стенок этой одежды. Внутренняя трубка твэла, по которой предстояло течь перегретой воде под давлением 100 атмосфер, должна была быть толще внешней, отделявшей урановое топливо от графитовой кладки. Сварка этих трубок представлялась делом архитрудным. Мы не могли тогда похвастать умением сваривать нержавеющую сталь. Швов же предстояло сделать многие сотни — одних твэлов в реакторе было 128, а имелись еще и регулировочные каналы, тоже нуждавшиеся в стальной защите. И требования к герметичности сварных швов предъявлялись самые бескомпромиссные. Исключалось соприкосновение хотя бы капли воды не только с ураном, но и с графитом.
Как и в случае с предыдущим проектом, мы заручились помощью многих научно-исследовательских учреждений. Усилиями одного из них была освоена сварка нержавеющей стали, отработана технология изготовления оболочки твэлов и метод проверки герметичности швов. Совместно с Дмитрием Ивановичем мы решали и такую задачу: каким сделать зазор между стенками твэла и канала в графитовой кладке. Графит обладал одной неприятной особенностью. Под воздействием нейтронной бомбардировки он распухал. Но насколько? Точных данных явно не хватало.
Альтернатива же была такова. Чем больше зазор, тем хуже условия для протекания цепной реакции, тем больше нужно обогащать уран. Чем зазор меньше, тем больше печальная вероятность, что твэл заклинит и извлечь его для замены после выгорания топлива станет невозможно. С большим трудом удалось найти “золотую середину”.
Неоценимую помощь в определении качества сборки тепловыделяющих элементов оказал нам Владимир Владимирович Гончаров — тот самый, в кабинете которого меня когда-то озарила мысль о придании реактору вертикального положения. В ведении этого ближайшего помощника Курчатова находился экспериментальный реактор. И он в натуральных условиях (что было особенно важно) испытал твэлы, выявил их слабые места.
В конце 1952 года вышло постановление о создании Научно-исследовательского и конструкторского института энергетической техники. Важнейшим его предназначением была определена разработка ядерных реакторов для народного хозяйства. Уже сам по себе этот факт свидетельствовал, что правительство пришло к убеждению о перспективности атомной энергии. А ведь в мире еще не существовало ни одного реального объекта, где энергия делящегося урана использовалась бы в мирных целях. Значит, сложилась уверенность и в благополучном завершении строительства АЭС, и в необходимости новых проектов на будущее. Несомненно, усвоению таких взглядов руководителями партии и государства способствовал Игорь Васильевич Курчатов. Его авторитет в верхних эшелонах власти стал исключительно высок. Директором и главным конструктором НИКИЭТа — так сокращенно назывался новый институт — назначили меня. С правом взять из НИИхиммаша сотрудников, имеющих опыт в конструировании атомной техники.