Содержание
«Спутник, водка, токамак». Во Франции начали строить искусственное солнце
- Николай Воронин
- Корреспондент по вопросам науки
Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.
Автор фото, AFP
В исследовательском центре Кадараш на юге Франции, в 65 км от Марселя, началось строительство первого в мире экспериментального термоядерного реактора ИТЭР. Церемонию открыл президент Эммануэль Макрон — под музыку из киносаги «Звездные войны».
Ученые всерьез называют ИТЭР искусственным солнцем. В вакуумной камере размером с 10-этажный дом — 30 м в высоту и столько же в диаметре — планируется в промышленном масштабе воспроизвести процесс термоядерного синтеза, питающий энергией нашу звезду.
Россия не только один из основных партнеров этого амбициозного научного проекта, но и его старейший участник. Сама идея термоядерного реактора, которую сейчас пытаются реализовать без преувеличения всем миром, принадлежит советским ученым из Института атомной энергии им. Курчатова.
В теории термоядерный синтез — неисчерпаемый источник энергии. Всего нескольких граммов водородного топлива достаточно, чтобы обеспечить теплом и электричеством тысячи домов, а «брикет» размером с ананас может заменить 10 тыс тонн угля.
- Ручное солнце. Когда термоядерные реакторы станут реальностью
- Прикоснуться к Солнцу — как это возможно?
- Снимок Солнца позволил увидеть пылающие на нем гигантские костры
Только, в отличие от традиционных тепловых или атомных электростанций, термоядерный реактор не загрязняет атмосферу выбросами парниковых газов и не оставляет токсичных радиоактивных отходов.
«Мы вдохновлялись Вселенной и звездами, где термоядерный синтез создает энергию на миллиарды лет вперед», — заявил генеральный директор ИТЭР Бернар Биго.
Автор фото, Getty Images
Участники проекта подчеркивают: ИТЭР — экспериментальный реактор. Это не термоядерная электростанция, а площадка для беспрецедентного физического эксперимента.
Однако, если все пойдет по намеченному плану, этот эксперимент определит будущее всей энергетики на планете.
«ИТЭР — совершенно потрясающий научный проект. Он объединил весь мир для создания чистого и возобновляемого источника энергии — энергии будущего, — заявил Би-би-си глава британского агентства атомной энергетики Иэн Чапман. — Это возможность продемонстрировать всему миру, что реакция термоядерного синтеза возможна и на Земле».
«Спутник, икра, водка, токамак»
ИТЭР — самая масштабная научная стройка в истории человечества. В эксперименте принимают участие 35 стран: Индия, Китай, Россия, США, Южная Корея, Япония и страны ЕС (плюс Великобритания и Швейцария) — это 80% всей мировой экономики и больше половины населения планеты.
При этом все страны-участницы признают, что авторство идеи термоядерного реактора принадлежит России. Само слово «токамак» (именно так называется тип реакторной установки) — это русская аббревиатура: тороидальная камера с магнитными катушками.
Автор фото, Getty Images
Подпись к фото,
Советский токамак, 1967 год
«Токамак — это такой бублик из плазмы, по которому течет ток, — объясняет Би-би-си глава российского агентства ИТЭР Анатолий Красильников. — Это одно из тех слов, которые весь мир выучил благодаря советским, российским ученым. Спутник, икра, водка, токамак — эти слова без перевода поймет любой иностранец».
Красильников занимается термоядерным синтезом (или, как называют его специалисты, «термоядом») уже больше 40 лет. В 1981 году он окончил МФТИ и пришел на работу в Курчатовский институт. А в 1985 было подписано историческое соглашение между США и СССР о совместном строительстве токамака.
«Горбачев с Рейганом договорились вместе строить реактор как пример того, что две великие державы могут не только воевать друг против друга в холодной войне, но и что-то делать вместе, реализовывать какие-то совместные научные проекты, — вспоминает Красильников. — А вскоре к нам присоединились Япония и Евросоюз».
Автор фото, AFP
Подпись к фото,
Михаил Горбачев и Рональд Рейган
После окончания холодной войны США в одностороннем порядке вышли из соглашения — в расчете на то, что без американского финансирования проект придется свернуть. Однако оставшиеся партнеры продолжили работу — более того, к разработке токамака подключились Индия, Китай и Южная Корея. В Вашингтоне, кажется, поняли, что просчитались.
«Тогда Штаты попросились назад, и, кажется, в 2004 году их приняли обратно, — рассказывает Красильников. — Так что, если они и сейчас выйдут — ничего страшного. Проект определяется не ими, и не они вносят ключевой вклад».
После того как площадкой для строительства реактора утвердили французский Кадараш, основной объем финансирования (45%) взял на себя Евросоюз. Остальные расходы страны-участницы, в том числе Россия и США, делят поровну.
Автор фото, Getty Images
Подпись к фото,
Жак Ширак
«Это Солнце на Земле»
Топливом в токамаке служат две разновидности водорода (их называют изотопы) — дейтерий и тритий. В отличие от нефти, газа и урановой руды, запасы и того и другого практически не ограничены: один в промышленных масштабах добывается из воды Мирового океана, другой — из лития, в результате довольно несложной реакции.
В мире созданы сотни токамаков, но ИТЭР — первый реактор, где термоядерный синтез планируется поддерживать за счет цепной реакции горения самой плазмы. Для этого нужно «всего лишь» разогреть водород до нескольких миллионов градусов и каким-то образом удержать его, не дав раскаленной плазме разлететься.
Автор фото, Getty Images
«Это Солнце на Земле, только с температурой в 10 раз выше, — объясняет Красильников. — Но Солнце — это огромный шар, оно само себя удерживает за счет гравитации, а мы для этого используем магнитное поле. Расплавить его невозможно — получается как бы магнитная стенка, и в этом уникальность советского изобретения».
Как это работает
- В полое кольцо токамака впрыскивается несколько граммов дейтерия и трития — изотопов водорода
- Водород нагревается до температуры в несколько млн градусов, превращаясь в плазму — ионизированный газ, в котором электроны оторваны от ядер атомов
- Магнитное поле, обеспечиваемое сверхпроводящими магнитами общим весом в 10 тыс тонн, удерживает плазму и придает ей форму
- Когда температура достигает примерно 150 млн градусов (это в 10 раз жарче, чем на Солнце), начинается термоядерная реакция
- Атомы дейтерия и трития сливаются, образуя один атом гелия-4 и один нейтрон, обладающий огромной энергией (около 3,5 МэВ)
- Нейтроны покидают магнитную ловушку, и за счет своей кинетической энергии нагревают воду в стенках токамака
- Вода превращается в пар, который вертит турбины
Но главное отличие, по словам ученых, — это абсолютная безопасность термоядерного реактора, поскольку там попросту нечему взрываться.
«В случае аварии наш бублик просто потухнет, и его придется зажигать заново, — уверяет Красильников. — Температура плазмы в ИТЭР — около 200-300 млн градусов. Если даже случится так, что магнитное поле не выдержит и плазма выплеснется на стенку реактора, температура сразу же упадет на порядок — и реакция просто прекратится».
«Все, что только понасоздавало человечество»
Пропустить Подкаст и продолжить чтение.
Подкаст
Что это было?
Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.
эпизоды
Конец истории Подкаст
Все эксперты сходятся в том, что осуществить грандиозный проект в одиночку было бы не под силу ни одной стране мира. И дело даже не в деньгах, а в уникальных ноу-хау, разработанных учеными в рамках международного сотрудничества.
«По существу это клуб технологически развитых стран, каждая из которых принесла в проект свою технологию, — уверяет Красильников. — Мы придумали токамак, кто-то придумал первую стенку, кто-то — метод дополнительного нагрева, кто-то — лучшие инжектора, кто-то — сверхпроводники… ИТЭР объединил на своей площадке все, что только понасоздавало человечество».
Например, магнитные катушки реактора. Каждая из них размером с четырехэтажный дом и весом 360 тонн. Для создания сверхпроводимости магниты охлаждены жидким гелием до -269 градусов по Цельсию.
13-метровый центральный соленоид весит 1000 тонн и создает магнитное поле такой силы, что его хватит, чтобы поднять в воздух авианосец.
Большинство систем создано в сотрудничестве сразу несколькими партнерами. Например, одна из деталей, собранных во вторник, создана в рамках ответственности России — то есть разработана российскими учеными в Петербурге (НИИ электрофизической аппаратуры им. Ефремова), — но собирали ее контрактники в Германии.
Согласно соглашению о партнерстве, все государства-члены ИТЭР имеют равные права на использование токамака и всех использованных при его строительстве технологий. Выйдя из проекта, любая страна-участница рискует оказаться в научной изоляции.
Впрочем, выходить никто и не собирается. По словам участников проекта, ИТЭР — это еще и уникальный социальный эксперимент: когда люди из разных культур, с разной ментальностью работают вместе, они учатся друг у друга и понимают, как друг с другом общаться — а это не менее важно, чем все остальное.
«В политическом смысле наши страны наверняка будут переживать и потепление, и похолодание отношений, — уверен Красильников. — Но ИТЭР будет, как ледокол, идти вперед».
Чистое топливо из канализации – Наука – Коммерсантъ
Биологи из ФИЦ биотехнологии РАН изучили бактерии, найденные в реакторе для очистки городских сточных вод. Эти микроорганизмы адаптировались к жизни в кислой среде и приспособились перерабатывать богатые простыми сахарами органические отходы, выделяя водород. Найденная бактерия оказалась представительницей нового штамма вида Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum — SP-h3.
Фото: Антон Белицкий, Коммерсантъ
Фото: Антон Белицкий, Коммерсантъ
Продукты внутреннего сгорания загрязняют атмосферу, а цены на нефть постоянно растут. Альтернативой углеродному топливу могло бы стать водородное. Оно сжигается при участии кислорода, но вместо выделения токсичных веществ на выходе получается вода. Первый водородный транспорт уже начали выпускать крупные производители автомобилей: Audi, Toyota, Honda, Hyundai, Ford, BMW. Самым перспективным и безопасным для окружающей среды решением стало бы получение водородной энергии из возобновляемых источников, а не ископаемых, запасы которых быстро исчерпываются. В современной промышленности роль химических фабрик все чаще играют микроорганизмы, за миллионы лет эволюции приспособившиеся к переработке различных веществ и получению энергии буквально из воздуха, а нередко — не только без него, но и без света. Одну из разновидностей таких микроорганизмов и исследовали российские биотехнологи.
Биотехнологи обнаружили в сточных водах ДНК бактерии, которая разлагает строительные блоки углеводов и выделяет водород, а также этанол, ацетат и бутират. Чтобы разобраться, что это за микроорганизм, ученые провели анализ 16S rRNA. В этом участке последовательности ДНК закодирован кусочек рибосомы — структуры, занятой в клетке сборкой белка. Результаты показали, что бактерия относится к новому штамму вида Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum. Исследование показало, что это теплолюбивый микроорганизм, который лучше всего себя чувствует и активно размножается при температуре 55–60 °C в слабощелочной среде с уровнем pH 7,5.
Ученые провели эксперименты, чтобы выяснить, из каких исходных веществ бактерии производят больше всего водорода. В «меню» Thermoanaerobacterim thermosacharolitycum SP-h3 оказались сахара: гексозы, состоящие из шестичленных углеродных «колечек» (мальтоза, глюкоза, манноза, фруктоза, лактоза, галактоза, сахароза, рафиноза и целлобиоза), и пентозы на основе колец из пяти атомов углерода (ксилоза и арабиноза). Также биотехнологи проверили, насколько хорошо бактерии чувствуют себя в богатых органикой жидких отходах предприятий: творожной сыворотке, стоках кондитерской фабрики и воде, оставшейся от свекловичного жома. Самый большой выход водорода дала мальтоза, чуть меньше — лактоза и целлобиоза. Из стоков предприятий лучшими вариантами оказались сыворотка и отходы кондитерского производства.
Юрий Литти, к.б.н., заведующий лабораторией микробиологии антропогенных мест обитания Федерального исследовательского центра «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН:
— Как обнаружили новый микроорганизм?
— В рамках выполнения гранта, направленного на более эффективную переработку органических отходов, авторами работы была создана и запущена крупная лабораторная установка двухстадийного анаэробного сбраживания, состоящая из последовательно работающих кислотогенного и метаногенного реакторов. Несмотря на очень высокую кислотность (низкий рН) в первом кислотогенном реакторе, в нем наблюдалось значительное образование водорода. Это натолкнуло на мысль о наличии высокоэффективных водород-образующих бактерий в микробном сообществе реактора. Молекулярный анализ микробного сообщества показал доминирование одного микроорганизма. Попытка выделить этот микроорганизм в чистую культуру методом предельных разведений увенчалась успехом. Микроорганизм идентифицировался как новый штамм известного суперпродуцента водорода. Новый микроорганизм отличался от ранее описанных высокой водород-продуцирующей активностью при низких рН.
— Как микроорганизмы перерабатывают органические отходы и выделяют водород?
— Среди известных биологических способов получения водорода из органических соединений выделяют светозависимые и темновые. Преимущества использования второго способа — высокая скорость процесса, относительная простота и универсальность. Механизм образования водорода основан на том, что для получения энергии в бескислородных условиях бактериям-бродильщикам необходимо сбрасывать лишние электроны, образующиеся при окислении органических соединений. Некоторые бактерии для этих целей используют протоны. Сбрасывая на них электроны, образуется газообразный водород. В зависимости от микроорганизма, используемых субстратов, условий окружающей среды (фазы роста культуры, наличия конкурентов, концентрации метаболитов, рН и т. д.) удельный выход газообразного водорода может значительно варьировать. Задача биотехнолога — подобрать условия для обеспечения стабильного процесса с максимальным удельным выходом водорода.
— Могут ли другие микроорганизмы делать что-то похожее?
— Образование газообразного водорода микроорганизмами — распространенное явление в природе. Например, микроводоросли и цианобактерии выделяют водород в результате фотосинтеза. Фотогетеротрофные бактерии могут отщеплять водород от молекул воды, используя угарный газ в качестве источника углерода. Водород также образуется некоторыми микроорганизмами как побочный продукт при фиксации атмосферного азота. Биологическим, но непрямым способом образуется водород на биокатоде в микробных электролизных ячейках при окислении органических соединений на биоаноде. Список описанных на сегодняшний день микроорганизмов, способных производить водород из органических отходов, достаточно широк. Они были обнаружены в самых разных местах обитания, начиная от компостных куч, очистных сооружений и экскрементов животных до более экзотических, таких как термальные источники или нефтяные скважины. Эти микроорганизмы различаются между собой предпочтениями в субстратах, оптимальными температурами и многими другими параметрами. В зависимости от специфики (скажем, для получения водорода из горячей сточной воды целлюлозно-бумажного комбината, имеющей высокую щелочность или кислотность) можно подобрать наиболее подходящий микроорганизм или сообщество микроорганизмов. Поэтому продолжает быть актуальным поиск новых микроорганизмов и более глубокое изучение их метаболических возможностей. Это позволит расширить спектр отходов, которые можно перерабатывать с получением водорода.
— Расскажите подробнее о том, как ученые исследуют возможности новых микроорганизмов.
— Сегодня у исследователей имеется большой арсенал методов изучения возможностей новых микроорганизмов. Классические методы предполагают выделение микроорганизма в чистую культуру и дальнейшие исследования его фенотипических и физиолого-биохимических характеристик. С разработкой молекулярных методов идентификации микроорганизмов, секвенирования их полных геномов, возможности исследования значительно расширились, что, в частности, привело к открытию новых генов, ферментов и других активных соединений. Важным преимуществом молекулярных методов является то, что нет строгой необходимости выделения микроорганизма в чистую культуру. Это особенно актуально в свете того, что, по последним данным, культивируемые микроорганизмы составляют менее 1% от известных на сегодняшний день. Также молекулярные методы позволяют лучше понять экологию микроорганизмов. Это крайне важно для экобиотехнологии, так как в микробном сообществе продукты метаболизма микроорганизмов часто не накапливаются, а практически сразу используются другими микроорганизмами. Соответственно, свойства микроорганизмов, присущие для них в чистых культурах, могут кардинально поменяться в микробных сообществах, например в интересующих нас реакторах переработки органических отходов или очистки сточных вод.
— В какой сфере могут быть использованы эти свойства микроорганизмов?
— Свойства микроорганизмов могут быть использованы в самых разнообразных сферах. В частности, водород-продуцирующие бактерии помимо выработки водорода в ходе своей жизнедеятельности образуют еще ряд полезных растворимых продуктов с высокой добавленной стоимостью, таких как этанол, лактат, сукцинат, 2,3-бутандиол, короткоцепочечные жирные кислоты. Эти продукты считаются ценными строительными блоками для химической промышленности. Они могут использоваться сами по себе или могут служить предшественниками для синтеза широкого спектра биопродуктов (спиртов, альдегидов, кетонов, органических кислот с удлиненной цепью и др.), что влечет за собой применение в различных областях, включая производство растворителей, клеев, пищевых добавок, косметических и фармацевтических препаратов. Таким образом, использование водород-продуцирующих бактерий представляет значительный интерес и потенциал в концепции циркулярной экономики, направленной на максимальное извлечение энергии и ресурсов из органических отходов.
Использованы материалы статьи.
Подготовила Мария Грибова
Реактор для водородной бомбы
Мы продолжаем рассказ об отечественных реакторах. В этот раз речь об АИ. С середины 1949 года в СССР начался период интенсивной работы над водородной бомбой. Эффективной взрывчаткой для нее признали тритий. Курчатов предложил построить реактор для наработки трития на объекте «А» комбината 817.
Для одной бомбы РДС‑6 требовалось около 1,2 кг трития. Техническое задание на АИ («А изотопный») предусматривало годовое производство в объеме 1,5 кг. Проект строительства разрабатывал коллектив ВНИПИЭТ, технологическую часть подготовил НИИхиммаш. Строительство стартовало в августе 1950 года, завершилось 20 октября 1951 года. Программу физпуска реактора составила группа физиков, в числе которых были Фурсов, Дубовский, Макаров. Общее руководство осуществлял Курчатов. Выбрали топливо с 2 %-м обогащением по урану‑235, чтобы имелся избыток нейтронов для получения трития.
Обогащение со второй попытки
Курчатов установил на площадке сменное дежурство. Дежурили четверо: Иван Жежерун, Евгений Бабулевич, Игорь Панасюк и Борис Дубовский. Поскольку АИ был первым отечественным реактором на обогащенном уране, при освоении технологии возник ряд вопросов.
Первый пуск прошел неудачно, и по решению Дубовского конструкция реактора была модифицирована. Повторно запустить реактор собирались к 7 ноября, годовщине Октябрьской революции, но не успели. Только 12 ноября 1951 года в 22:55 АИ достиг критичности — в СССР впервые начались работы с обогащенным топливом. В рамках физпуска были получены и оценены физические характеристики реактора. На проектную мощность он вышел 14 февраля 1952 года. Испытания РДС-6 состоялись чуть больше года спустя.
Трубы и спецканалы
Реактор АИ представлял собой установку с вертикальной компоновкой активной зоны номинальной мощностью 40 МВт. Основу его составляла блочная графитовая система с водяным охлаждением. Активную зону образовывали колонны графитовых кирпичей с отверстиями в центре для технологических каналов. Внутрь 248 технологических каналов загружали рабочие и сырьевые блоки, которые охлаждались химически чистой водой.
Первую в мире водородную бомбу испытали на Семипалатинском полигоне 12 августа 1953 года в 7:30 по местному времени
Рабочие блоки с обогащенным ураном, рассчитанные на повышенные тепловые нагрузки, изготавливали на основе уран-магниевой керамики, обладающей улучшенной стойкостью к распуханию. За одну загрузку, которая проводилась краном с дистанционным управлением, в АИ помещали 3,5 т обогащенного топлива. Ввиду температуры графита до 500 °C в реактор подавали вместо воздуха азот, препятствующий окислению.
В периферийную часть активной зоны загружали сырьевые блоки с солью лития (Li2SO4). Сырьевые блоки загружали в каналы с обогащенным топливом сверху и снизу. Это делалось для того, чтобы максимально использовать нейтроны, рождавшиеся в центральной зоне, так называемые нейтроны утечки.
Наряду со стандартными каналами с литиевыми блоками были установлены три специальных канала. В каждом размещалась герметичная труба, загруженная солью лития, соединенная вакуумными линиями с объемом вне реактора для откачки газов (трития и гелия), образующихся в процессе облучения. Идея трубного метода, идеологами которого выступали специалисты НИИ‑9 Зинаида Ершова и Кирилл Большаков, казалась заманчивой по сравнению с облучением отдельных литиевых блоков, так как позволяла отказаться от ряда технологических операций. Несмотря на перспективность, трубный метод не нашел дальнейшего применения из-за низкой степени извлечения трития (позже трубный метод использовали на АИ как «шампурный» способ получения различных радионуклидов).
В технологический комплекс производства трития входил также цех снаряжения магниевых блоков, печное отделение для извлечения из облученных блоков сырого газа, отделения очистки и разделения газа по изотопам и получения готового продукта.
Жертвы трития
Процесс извлечения трития из облученных блоков проходил в вертикальной электрической печи путем вакуумного отсоса. Практически в самом начале производства из-за перегрева облученные блоки расплавились, тритий выделился и произошел водородный взрыв в печи. И хотя в момент взрыва никто не пострадал, он имел тяжелые последствия: начальники смен Бардин и Барышев, работавшие внутри печи непосредственно после взрыва, скончались от отравления тритием.
С марта по октябрь 1952 года на реакторе АИ под руководством физика Глеба Померанцева было испытано несколько партий ядерного топлива, изготовленного на основании данных предварительных испытаний. Рекомендации Померанцева разработчики и завод-изготовитель использовали при изготовлении очередной партии. В дальнейшем руководитель Четвертого главного управления Александр Зверев издал приказ, запрещающий испытания новых твэлов на промышленных реакторах. Испытания разрешались только на АИ, и лишь после положительных результатов допускалось использовать новые твэлы на промышленных реакторах.
Совершенствование эксплуатации реактора стало постоянной задачей для персонала. На установке непрерывно вели работы по улучшению технологического процесса производства, модернизации оборудования, систем контроля и управления. Несмотря на эти меры, без инцидентов не обошлось. Недостаточная живучесть рабочих блоков привела в итоге к двум серьезным авариям типа «козел».
Первая произошла 6 июля 1953 года в технологическом канале 11–04 и стала причиной 32-часового простоя реактора. Один из центральных блоков пострадал из-за попадания воды со стороны фасонного торца и последовавшего за этим парового взрыва, нарушившего отвод тепла от рабочих блоков в канале. Для устранения было принято решение об изменении конструкции втулки. При ликвидации последствий аварии часть работников, 60 человек из 190, получили значительное облучение.
Вторая авария случилась 7 марта 1955 года в технологическом канале 12–11 с распространением урана за пределы технологической ячейки. Причина — нарушение герметичности рабочих блоков и паровой взрыв при попадании в них воды. Работы по ликвидации проводили до 10 марта, однако полностью удалить уран из графита за пределами технологической ячейки не удалось — не было ни средств, ни соответствующих устройств для обследования и осмотра. Когда мощность реактора подняли до 75 % проектной, в технологических системах контроля и помещениях реактора увеличилась активность. Дальнейшая эксплуатация реактора проводилась на пониженной мощности и сопровождалась переоблучением персонала.
Защита реактора, защита персонала
3 июля 1954 года произошло административное объединение трех объектов, расположенных на одной площадке: реакторов А, АИ и АВ‑3, с образованием завода 156. Его директором был назначен Федор Овчинников, главным инженером — Борис Брохович.
3 марта 1956 года, после четырех лет эксплуатации, АИ был остановлен на капитальный ремонт. Для работы с загрязненными конструкциями и узлами изготовили приспособления и защитные устройства. Прежде чем приступить к разборке реактора, извлекли каналы с рабочими блоками и графитовые втулки. Втулки плохо поддавались, иногда ломались, засыпая ячейку.
Для защиты персонала от излучения верхней защиты реактора была изготовлена сварная металлическая конструкция (емкость с откидной стенкой), которую установили в центральном зале. Извлеченную 120-тонным краном верхнюю защиту поместили в эту емкость и залили водой. На место защиты опустили подвижной металлический бак, заполняемый на 1–1,5 м водой для защиты от гамма-излучения графитовой кладки. Этот бак имел щель шириной 600 мм и длиной 800 мм, позволявшую извлекать графитовые колонны и ставить новые. До установки бака интенсивность гамма-излучения над вскрытой графитовой кладкой составляла 200 мкР/с на расстоянии 3 м от уровня кладки, после установки — 25 мкР/с.
Замена графитовых колонн началась 22 апреля, всего было заменено 44 единицы — в первую очередь на участках, где из-за аварий распространился расплавленный уран, а также находились графитовые кирпичи с повышенным уровнем выгорания.
Суммарное облучение всех работников здания 701, где располагался АИ, участвовавших в капремонте, составило 517 Р. Это умеренное облучение, и объясняется оно тем, что на верхнем силуминовом блоке установили кадмиевую защиту от нейтронного излучения, и конструкция верхней защиты реактора была малоактивной. Также персонал использовал специальные защитные средства.
Разборка АИ стала возможной благодаря тому, что в проекте верхняя защитная конструкция была разделена на две части: центральную и периферийную. Масса центральной (извлекаемой) части составляла 85 т. Кран центрального зала реактора имел грузоподъемность 100 т. В проектах других промышленных уран-графитовых реакторов разделения на две части не было, поскольку возможность разборки не предусматривалась.
После ремонта дозиметрическая обстановка в здании реактора значительно улучшилась, выбросы радиоактивности в атмосферу сократились. Был получен ценный материал по состоянию графита после четырех лет эксплуатации, а также накоплен опыт обращения с высокоактивными конструкциями и узлами реактора, который затем использовали при выводе из эксплуатации и демонтаже ядерных реакторов. Доклад о результатах разборки АИ был представлен на Второй Международной конференции по мирному использованию атомной энергии в Женеве в 1958 году и вызвал большой интерес.
Изотопный режим
24 декабря 1956 года АИ был переведен в основном на изотопный режим для производства 14С, 36Cl и короткоживущих радионуклидов. В изотопном режиме средний годовой уровень мощности составлял 125 % проектного (50 МВт). Восьмой и девятый радиусы реактора загружали трубами с солью Ca(NO3)2 и KCl для получения 14С и 36Cl соответственно. В реактор устанавливали восемь каналов для накопления короткоживущих радионуклидов.
В процессе эксплуатации АИ возникла проблема, ранее неизвестная советским исследователям, — связанная с радиационно-термическим поведением графита, находящегося в условиях одновременного воздействия высокой температуры и повреждающего потока нейтронов. В ноябре — декабре 1957 года было выявлено сильное распухание графитовых втулок, что повлекло за собой ненормальное извлечение технологических каналов из ячеек. За 218 часов было извлечено всего девять технологических каналов, извлечение сопровождалось многократными обрывами. В связи с этим было принято решение увеличить зазор между графитовыми втулками и кирпичами путем замены разрезных втулок на неразрезные диаметром 84,3/64,8 мм по всему реактору.
В 1958 году для увеличения накопления радионуклидов реактор был переведен на новые керамические блоки 10 %-го обогащения с повышенным содержанием урана‑235. С апреля 1961 года при работе в реактивном режиме стали использоваться литиевые блоки с 7 %-м обогащением по литию‑6, а позднее — с 20 %-м обогащением.
Из промышленного в исследовательский
В 1958 году решением министерства на реактор АИ перенесли многие исследовательские программы. Здесь были сооружены опытно-экспериментальные установки, первой стала КС‑60, моделирующая АЭС с тяжеловодным реактором, газовым охлаждением и топливом из металлического урана. Монтаж начался в феврале 1959 года, 24 июня 1961 года КС‑60 ввели в эксплуатацию. 30 декабря 1969 года введена в эксплуатацию установка, моделирующая АЭС с реактором типа РБМК, где теплоносителем была дистиллированная вода, а топливом — обогащенный уран. Вскоре на заводе создали отделение опытно-экспериментальных установок.
Первыми дежурными на площадке строящегося реактора были Евгений Бабулевич (слева), Игорь Панасюк и Борис Дубовский (справа), 1967 год
В январе 1967 года, после очередного капремонта, пуск АИ был осуществлен на втулочных блоках 80 %-го обогащения. С 17 февраля 1969 года реактор загружался втулочными блоками АИД‑90 90 %-го обогащения с повышенным содержанием урана‑235 с целью увеличения выгорания и снижения затрат на радиохимическую переработку облученных блоков. В результате мощность реактора выросла до 100 МВт, повысилась производительность по тритию и другим радионуклидам.
25 мая 1987 года уран-графитовый реактор АИ после почти 40 лет работы был остановлен. Сейчас его готовят к выводу из эксплуатации.
При подготовке использованы материалы из архива газеты «Атомпресса», электронной библиотеки «История «Росатома» (elib.biblioatom.ru) и других открытых источников. Если вы были участником описываемых событий, знаете интересные факты о создании реакторов или обнаружили неточность в статье, напишите автору по адресу atom‑55@mail. ru.
Есть интересная история?
Напишите нам
Читайте также:
История.
20 октября 2022
Спутник урана: АЭХК отмечает 65-летнюю годовщину
Может ли водород открыть новые рынки для атомной энергетики?
Офис
Атомная энергия
24 июня 2020 г.
Графика Сары Харман | Министерство энергетики США
Это критическое время для ядерной энергетики.
С 2013 года 13 реакторов были остановлены до истечения срока действия их лицензий на эксплуатацию, и еще два должны быть закрыты к 2025 году.
Это большое дело, учитывая, что атомная энергия производит почти 20% электроэнергии Америки и половину ее чистой энергии.
Отсутствие рыночной стоимости и исторически низкие цены на природный газ — это лишь некоторые из причин, по которым атомной энергетике трудно конкурировать на определенных рынках.
А с увеличением количества возобновляемых источников энергии, поступающих в сеть, многие коммунальные предприятия рассматривают гибридный или интегрированный системный подход для улучшения экономических показателей базовых источников энергии, таких как ядерные реакторы.
Одной из возможностей является использование теплоты и электричества атомной станции для производства водорода.
Почему водород?
Водород — это энергоноситель, который можно использовать для хранения огромного количества энергии для устойчивости и безопасности сети, а также это важнейшее сырье для большинства предприятий химической промышленности.
Сегодня мы в основном используем водород для переработки нефти и производства аммиака, но растет спрос на него в производстве стали и в транспорте для питания транспортных средств, улучшения биотоплива и даже производства синтетического топлива, которое может использовать углекислый газ в качестве исходного сырья.
Около 95% водорода, производимого в США, производится из природного газа.
Он создан с использованием парового риформинга метана, который в основном использует высокие температуры для преобразования пара и метана в газообразный водород и углекислый газ.
Проблема заключается в том, что глобальный спрос на водород и его новые применения может увеличиться в десять раз, превзойдя нашу текущую инфраструктуру для производства и доставки водорода.
Чтобы удовлетворить этот спрос, Министерство энергетики США ищет способы разработки новых технологий в рамках своей инициативы h3@Scale для эффективного увеличения производства водорода с использованием всех источников энергии нашей страны, включая атомную.
Создание новых рынков
Атомные электростанции могут производить водород различными способами, которые значительно сокращают выбросы в атмосферу, используя при этом постоянную тепловую энергию и электричество, которые они надежно обеспечивают.
Существующие атомные электростанции могли бы производить пар высокого качества с меньшими затратами, чем котлы, работающие на природном газе, и могли бы использоваться во многих промышленных процессах, включая конверсию метана с паром.
Однако доводы в пользу ядерной энергетики становятся еще более убедительными, когда этот высококачественный пар подвергается электролизу и разделяется на чистый водород и кислород.
Один ядерный реактор мощностью 1000 мегаватт может производить более 150 000 тонн водорода в год.
Десять ядерных реакторов могут производить около 1,5 млн тонн ежегодно или 15% водорода, производимого в настоящее время в США.
Калифорнийская атомная электростанция Diablo Canyon, как ожидается, начнет останавливать реакторы в 2024 году.
PG&E
Этот процесс позволит коммунальным предприятиям производить и продавать водород на региональном уровне как товар в дополнение к обеспечению чистой и надежной электроэнергией в сети.
Например, реакторы в Огайо могут продавать водород металлургическим и металлургическим заводам. Средний Запад может ориентироваться на производителей удобрений, а Калифорния может продавать водородные станции для электромобилей на топливных элементах.
Этот новый поток доходов может также помочь создать экономическое обоснование для поддержания находящихся в опасности реакторов страны в рабочем состоянии, что, возможно, обеспечит более высокую рыночную стоимость водородных товаров в штатах и странах, которые стремятся сократить выбросы.
Принесение тепла
Продлевая срок службы коммерческого флота, это даст отрасли время для запуска новых усовершенствованных реакторов.
Ожидается, что усовершенствованные реакторы будут работать при значительно более высоких температурах и позволят атомным электростанциям более эффективно производить водород, что значительно расширит масштабы промышленности.
Высокотемпературные реакторы могут даже использоваться для значительного сокращения выбросов, образующихся в результате традиционных процессов риформинга с паром и метаном, за счет замены природного газа, который сжигается для производства пара и обеспечения тепла, необходимого для риформинга смесей природного газа и пара.
Новые электрохимические процессы также разрабатываются для прямого преобразования природного газа в водород и пластмассы с использованием атомной энергии, что позволит полностью избежать выбросов в атмосферу и достичь значительно более высокой эффективности.
В конечном счете, ядерная энергия может поддерживать обрабатывающую промышленность страны во многих секторах, обеспечивая чистую энергию для производства водорода, топлива, удобрений, стали, пластмасс и других химических веществ.
Следите за новостями…
Узнайте больше о h3@scale и нашей инициативе NICE Future — международной инициативе, направленной на интегрированные экологически чистые энергетические системы с использованием ядерной энергии.
*Обновлено в июле 2022 г.
Подписывайтесь на нас
Связанный контент
3 аспекта ядерной энергетики более гибкие, чем вы думаете
Учить больше
Преимущества и проблемы ядерной энергетики
Учить больше
5 проблем, о которых вы не знали, ядерная энергия может решить
Учить больше
Исследователи разработали реактор, который перерабатывает отработанный углерод в химические вещества при одновременном производстве водорода – GeekWire
Новый биореактор с проточной ячейкой, на который подана заявка на патент, разработанный в PNNL, может очищать сточные воды (на фото) и генерировать водород, который помогает подпитывать процесс. (Фото PNNL/Andrea Starr)
В мире, сталкивающемся с двойной проблемой изменения климата и растущими потребностями в энергии, разработка возобновляемых заменителей ископаемого топлива была давней мечтой. Хотя в последние годы был достигнут значительный прогресс в преобразовании различных биоматериалов в полезную энергию, их переработка экологически устойчивым способом остается сложной задачей.
Команда Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории разработала инновационный реактор с проточными ячейками, способный перерабатывать углеродные отходы в ценные химические вещества, одновременно производя водород, который можно использовать для питания транспортных средств или выработки тепла. Этот процесс очистки потенциально является углеродно-нейтральным и в конечном итоге может даже быть углеродно-отрицательным.
Во главе с инженером-исследователем катализаторов Хуаном А. Лопес-Руисом команда PNNL разработала систему регенерации топлива автокаталитического окисления, которая начинается с биосырья, которое может быть получено из сельскохозяйственных культур, водорослей и даже сточных вод. Эта биосырая нефть создается с помощью процесса, называемого гидротермальным сжижением (HTL), который, по общему признанию, является энергоемким, поскольку использует высокие температуры и давление для превращения органического сырья в биосырую нефть. Имитируя естественные процессы, создавшие ископаемое топливо в мире, HTL может «достичь за считанные минуты того, на что у Матери-природы уходят миллионы лет».
Но, как и при традиционной переработке нефти, процесс переработки биосырья также был энергоемким. «Используемые в настоящее время методы обработки биосырья требуют использования водорода под высоким давлением, который обычно производится из природного газа», — сказал Хуан А. Лопес-Руис, инженер-химик PNNL и руководитель проекта.
Именно здесь вступает в действие запатентованный процесс PNNL. Исследование показало, что электрокаталитические процессы могут предложить более устойчивые средства очистки по сравнению с термокалитическими процессами, такими как HTL, в которых используется водород при высокой температуре и давлении.
Как объясняет Лопес-Руис: «Наша система может сама генерировать этот водород, одновременно очищая сточные воды в условиях, близких к атмосферным, с использованием избытка возобновляемой электроэнергии, что делает ее недорогой в эксплуатации и потенциально нейтральной в отношении выбросов углерода».
Углеродные отходы ферм, сточных вод и других источников могут быть легко переработаны в высококачественное биотопливо с помощью новой проточной ячейки, разработанной PNNL. В этой анимации проточная ячейка получает биосырую и сточные воды из процесса гидротермального сжижения. Затем он удаляет углерод из сточные воды, что позволяет повторно использовать чистую воду. Система даже вырабатывает ценное топливо, которое можно улавливать, снижая стоимость всей операции. (анимация Sara Levine | PNNL)
Процесс начинается со смеси биосырья и сточных вод, которые проходят в реактор с проточной клеткой либо непосредственно из процесса HTL, либо из другого подходящего источника влажных отходов. Клетка разделена мембраной, проницаемой для протонов, но не для электронов. Когда смесь попадает на анодную сторону ячейки, она контактирует с тонкой титановой фольгой, покрытой наночастицами оксида рутения. Реакция с этим анодом вызывает каталитическую конверсию потока отходов, которая изменяет его химический состав. Это расщепляет его основные составляющие, в том числе карбоновую кислоту, отделяя полезные масла и парафины. Растворимые соединения, включающие кислород и азот, также расщепляются, превращаясь в эти обычные газы.
Поток отходов извивается к катодной стороне ячейки, где он проходит через заряженный угольный войлок. Здесь он подвергается дальнейшим реакциям, которые могут либо гидрировать органические молекулы, либо генерировать газообразный водород, который можно использовать в качестве топлива для части процесса. Помимо того, что волокна углеродного войлока являются отличным проводником электричества, они заставляют молекулы потока смешиваться с высокой степенью турбулентности, что еще больше ускоряет каталитические реакции. Энергетические потребности клетки настолько относительно низки, что оставшаяся часть ее потребностей потенциально может быть обеспечена за счет электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями.
Несмотря на испытания в течение почти 200 часов работы, система сохранила работоспособность без заметных потерь. Испытания могли бы продолжаться намного дольше, если бы у команды не закончилось биосырье.
«Это голодная система», — заметил Лопес-Руис. «Он мог бы работать бесконечно, если бы у вас были сточные воды, чтобы продолжать циркулировать через него».
После удаления загрязняющих веществ сточные воды можно повторно использовать в реакторе, что еще больше снижает воздействие процесса на окружающую среду. Более поздняя стадия фильтрации может быть использована для удаления любых оставшихся нежелательных химических веществ перед использованием воды для выращивания сельскохозяйственных культур или даже для питья.
Одной из возможных проблем в конструкции реактора является его зависимость от так называемых редкоземельных металлов. Как и во многих экологически чистых энергетических технологиях, конструкция проточной ячейки PNNL требует этих энергоемких, труднодоступных элементов, иногда называемых металлами платиновой группы. Согласно одному недавнему исследованию Министерства энергетики, США на 100% зависят от импорта 14 из 35 этих металлов, а мы зависим более чем на 50% от импорта еще 17 из них. Это сделало улучшение нашего внутреннего снабжения главным приоритетом.
Чтобы решить эту проблему, команда PNNL создала свой анод, покрыв титановую пленку наночастицами оксида рутения. По сравнению с использованием тонкой пленки из металла, такого как платина, этот подход значительно увеличивает площадь поверхности, доступную для катализа реакций, и в то же время уменьшает количество необходимого материала.
«Он мог бы работать бесконечно, если бы у вас были сточные воды, чтобы продолжать циркулировать через него».
Согласно недавней статье, опубликованной в журнале Applied Catalysis B: Environmental, Лопес-Руис и другие определили оптимальный размер частиц оксида рутения около 12 нанометров. В результате для нового подхода PNNL требуется примерно в 1000 раз меньше редкоземельного металла, чем обычно требуется для сопоставимого реактора на основе платины. В то же время этот процесс обеспечивает более чем в 100 раз более высокую степень конверсии, чем термические системы, использующие промежуточные давления и температуры водорода.
Еще одно преимущество подхода PNNL заключается в том, что его можно настраивать, позволяя формировать различные молекулы и соединения в зависимости от напряжения, приложенного к цепи. При изменении напряжения в пределах рабочего диапазона системы примерно от двух до пяти вольт биосырье подвергается различным реакциям. Все это потенциально может контролироваться и управляться программным обеспечением, что позволит кому-то управлять этим, не нуждаясь в степени инженера-химика.
Это согласуется с некоторыми идеями о том, как в конечном итоге можно будет использовать эти реакторы. Хотя естественно думать об использовании подобной концепции для строительства крупных централизованных нефтеперерабатывающих заводов, может быть более экологично размещать меньшие версии рядом с их исходным материалом. Фермы, пивоварни и очистные сооружения могли бы идеально подойти для этого, поскольку они могут быть как производителями, так и потребителями.
Чтобы сделать это возможным, новый процесс PNNL в настоящее время находится на рассмотрении патента под названием CLEANSET (Чистая устойчивая электрохимическая обработка) и доступен для лицензирования компаниями и муниципалитетами. Технология недавно была лицензирована CogniTek, глобальной компанией, которая выводит на рынок энергетические продукты и технологические решения. CogniTek планирует интегрировать технологию PNNL с другими системами обработки биомассы, которые они и их стратегические партнеры разрабатывают для коммерциализации.
Наряду с Лопес-Руис в исследовательскую группу PNNL входили Ян Цю, Эван Эндрюс, Оливер Гутьеррес и Джейми Холладей. Работа частично финансировалась Министерством энергетики.
Ядерный водородный реактор: новое поколение Японии, экологически чистая энергия
~~
В условиях тенденции к обезуглероживанию общества водород приобретает все большее значение как новый источник энергии, который не выделяет углекислый газ (CO2).
При сжигании водорода выделяется только вода. Водород также обладает высокой теплоемкостью и производит электричество при использовании в топливных элементах. Это сияющая звезда среди вариантов энергии, но вопрос в том, какой водород использовать.
Если при производстве водорода выбрасывается CO2, это становится бессмысленным. И даже если это не так, энергия тратится впустую, когда эффективность производства низкая.
На самом деле Япония разработала технологию производства водорода, которая преодолевает эти недостатки. Высокотемпературный газоохлаждаемый реактор (ВТГР) — это следующее поколение ядерной энергетики, которое может одновременно производить неограниченное количество водорода вместе с электричеством.
Источник водорода важен
Существует несколько технологий производства водорода. Основным методом массового производства является «риформинг», при котором в качестве сырья используется природный газ или уголь. Высокотемпературный пар используется для выделения водорода из природного газа или других веществ, но при этом также образуется CO2.
Аммиак, привлекший внимание в последние годы как новый вид топлива, не соответствует идеалу отсутствия углерода, поскольку в нем используется водород, полученный этим методом.
Водород можно получить путем электролиза с использованием солнечной энергии. CO2 не выделяется, но есть потери энергии. Для хранения избыточной энергии уже нашла практическое применение гидроаккумулирующая генерация.
Усовершенствованные высокотемпературные реакторы
Атомная энергетика также не выбрасывает CO2, но после аварии на Фукусиме столкнулась со встречным ветром.
Однако Японское агентство по атомной энергии разрабатывает новый тип реактора под названием «Высокотемпературный инженерно-испытательный реактор» (HTTR) в городе Оарай, префектура Ибараки.
В принципе, HTTR не подвержен расплавлению активной зоны. Более того, мир требует именно таких малых модульных реакторов.
Одной из особенностей HTGR является то, что они используют газообразный гелий для получения высокой температуры в 950 градусов, что в три раза выше, чем у обычной ядерной энергетики. Эта высокая температура может использоваться для привода газовой турбины для выработки электроэнергии, при этом производя водород посредством термохимического разложения воды в циклическом процессе с участием йода и диоксида серы.
Коммерческое использование этой реакции, называемой процессом IS (йод-сера), считалось проблематичным, но исследовательская группа HTTR добилась непрерывного производства водорода в течение 150 часов — стандарта для длительной эксплуатации — два года назад.
Схема энергоустановки HTTR, показывающая (1) ядерный реактор HTTR, (2) в его корпусе. (3) гелиевая газовая турбина и (4) производство водорода с использованием йода и диоксида серы.
Реактор без серьезных аварий
Тепловая мощность HTTR составляет 30 000 киловатт. Поскольку он находится на первом этапе разработки, он не оборудован генератором энергии, но обладает всеми основными функциями высокотемпературного газоохлаждаемого реактора.
Реактор Ибараки был запущен в 1998 году, но долгие годы оставался незамеченным. Все изменилось после аварии на атомной электростанции TEPCO в Фукусима-дайити десять лет назад. Именно тогда реактор нового типа стал маяком надежды.
Основная причина его недавнего внимания — выдающийся уровень безопасности реактора. Это новый тип реактора с материалом активной зоны и конструкцией, совершенно отличной от обычных атомных электростанций.
Кроме того, HTGR некоторое время оставались в тени, поскольку они конструктивно непригодны в качестве более крупных реакторов. Но сейчас мировой рынок ядерной энергетики обращается к малым модульным реакторам. Это вторая причина недавнего внимания. Поскольку для работы этого типа реактора не требуется вода, потенциальные местоположения могут быть удалены от внутренних районов до пустынь.
Третьей причиной нового интереса является растущий спрос на водород в качестве источника энергии после Парижского соглашения об остановке глобального потепления.
Эксплуатация возобновится летом
В настоящее время HTTR проходит проверку безопасности Комиссией по ядерному регулированию. Соответствие новым нормативам было подтверждено в июне 2020 года, идет согласование плана строительства. Если строительные работы пройдут гладко, ожидается, что работа возобновится летом 2021 года.
После целого десятилетия остановки после аварии на Фукусиме наконец-то забрезжил свет в конце длинного туннеля.
Парижское соглашение вступило в силу в 2020 году, и мир стремительно движется к безуглеродному обществу. Хотя японское правительство заявило о своем намерении свести выбросы CO2 к нулю к 2050 году как внутри страны, так и за рубежом, ясно, что эта цель не может быть достигнута просто путем превращения возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия, в основной источник энергии Японии.
Прохладные периоды этой зимы и обильные снегопады выявили слабые стороны солнечной энергетики. Более того, производство тепловой энергии, которое восполняло нехватку ядерной энергии, столкнулось с задержками в закупке природного газа, что привело к серьезному дефициту электроэнергии.
Козырная карта Японии
В отличие от Европы, стабильное снабжение электроэнергией в таком островном государстве, как Япония, требует диверсификации источников энергии. Важную роль играет ядерная энергетика, которая может работать непрерывно более года после загрузки топлива в реактор. Но травма Фукусимы сделала проблематичным как новое строительство, так и расширение обычных атомных электростанций (реакторы на легкой воде).
Именно поэтому срочно необходима коммерциализация серьезных безаварийных ВТГР. Япония в настоящее время лидирует в мире по технологии HTGR. И Польша, и Великобритания возлагают большие надежды на техническое сотрудничество с Японией.
На климатическом саммите, запланированном президентом США Джо Байденом, премьер-министр Ёсихидэ Суга должен представить мировым лидерам высокотемпературный реактор с газовым охлаждением Японии как инновацию в области обезуглероживания, ориентированную на использование водорода. Это пошлет самое значимое сообщение.