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HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA, TECNOLOGÍA, OBJETOS ALREDEDOR DE NOSOTROS
Planta de energía nuclear. Historia de la invención y la producción.
Directorio / La historia de la tecnología, la tecnología, los objetos que nos rodean. Planta de energía nuclear (NPP) - una instalación nuclear para la producción de energía en modos y condiciones de uso específicos, ubicada dentro del territorio definido por el proyecto, en el que un reactor nuclear (reactores) y un complejo de sistemas necesarios, dispositivos, equipos y se utilizan estructuras con los trabajadores necesarios para este fin (personal). La primera central nuclear del mundo se construyó en la URSS nueve años después del bombardeo atómico de Hiroshima. Este evento más importante en la historia de la tecnología fue precedido por un trabajo febril e intenso para crear nuestras propias armas nucleares. La investigación científica estuvo dirigida por un destacado científico y talentoso organizador, Igor Kurchatov.
En 1943, Kurchatov creó su propio centro de investigación en Moscú (en ese momento se llamaba Laboratorio No. 2, y luego se transformó en el Instituto de Energía Atómica). En este y algunos otros laboratorios se repitieron todos los estudios de los científicos estadounidenses en el menor tiempo posible, se obtuvo uranio puro y grafito puro. En diciembre de 1946, se llevó a cabo aquí la primera reacción en cadena en el reactor nuclear experimental de uranio-grafito F1. La potencia de este reactor apenas alcanzaba los 100 vatios. Sin embargo, logró obtener importantes datos que sirvieron de base para el diseño de un gran reactor industrial, cuyo desarrollo ya estaba en pleno desarrollo. No había experiencia en la construcción de un reactor de este tipo en la URSS. Después de pensarlo un poco, Kurchatov decidió confiar este trabajo a NIIkhimmash, que estaba dirigido por Nikolai Dollezhal. Aunque Dollezhal era un químico mecánico puro y nunca había estudiado física nuclear, su conocimiento resultó ser muy valioso. Sin embargo, NIIkhimmash tampoco habría podido crear un reactor por su cuenta. El trabajo fue exitoso solo después de que varios otros institutos se unieron a él. El principio de funcionamiento y la estructura del reactor Dollezhal eran generalmente claros: bloques de grafito con canales para bloques de uranio y barras de control: los absorbedores de neutrones se colocaron en una caja de metal. La masa total de uranio tenía que alcanzar el valor requerido calculado por los físicos, en el que comenzó la reacción en cadena sostenida de fisión de los átomos de uranio. Como resultado de la reacción de fisión de los núcleos de uranio, no solo aparecieron dos fragmentos (dos nuevos núcleos), sino también varios neutrones. Estos neutrones de la primera generación sirvieron para sustentar la reacción, que resultó en neutrones de la segunda generación, la tercera y así sucesivamente. En promedio, por cada mil neutrones que surgieron, solo unos pocos nacieron no instantáneamente, en el momento de la fisión, sino que un poco más tarde salieron volando de los fragmentos. La existencia de estos llamados neutrones retardados, que son un pequeño detalle en el proceso de fisión del uranio, es decisiva para la posibilidad de una reacción en cadena controlada. Algunos de ellos se retrasan por una fracción de segundo, otros por segundos o más. El número de neutrones retardados es solo el 0% de su número total; sin embargo, reducen significativamente (alrededor de 75 veces) la tasa de crecimiento del flujo de neutrones y, por lo tanto, facilitan la tarea de regular la potencia del reactor. Es durante este tiempo, manipulando las varillas absorbentes de neutrones, es posible intervenir en el curso de la reacción, ralentizarla o acelerarla. La mayoría de los neutrones nacen simultáneamente con la fisión, y en su corta vida (alrededor de una cienmilésima de segundo) es imposible influir en el curso de la reacción de ninguna manera, así como es imposible detener una explosión atómica que ya ha ocurrido. comenzado Con base en esta información, el equipo de Dollezhal pudo hacer frente rápidamente a la tarea. Ya en 1948 se construyó una planta de plutonio con varios reactores industriales, y en agosto de 1949 se probó la primera bomba atómica soviética. Después de eso, Kurchatov podría prestar más atención al uso pacífico de la energía atómica. Siguiendo sus instrucciones, Feinberg y Dollezhal comenzaron a desarrollar un diseño para un reactor para una planta de energía nuclear. El primero hizo cálculos físicos y el segundo, ingeniería. El hecho de que un reactor nuclear puede ser no solo un productor de plutonio apto para armas, sino también una poderosa planta de energía, quedó claro para sus primeros creadores. Una de las manifestaciones externas de la reacción nuclear en curso, junto con la radiación radiactiva, es una liberación significativa de calor. En una bomba atómica, este calor se libera instantáneamente y sirve como uno de sus factores dañinos. En un reactor en el que la reacción en cadena está, por así decirlo, en un estado de combustión lenta, la intensa liberación de calor puede continuar durante meses e incluso años, y unos pocos kilogramos de uranio pueden liberar tanta energía como la que se libera durante la combustión de varios miles de toneladas. de combustible convencional. Dado que los físicos soviéticos ya habían aprendido a controlar una reacción nuclear, el problema de crear un reactor de potencia se redujo a encontrar formas de extraerle calor. La experiencia adquirida durante los experimentos de Kurchatov fue muy valiosa, pero no respondió a muchas preguntas. Ninguno de los reactores construidos en ese momento era un reactor de potencia. En los reactores industriales, la energía térmica no solo era innecesaria, sino también dañina: había que eliminarla, es decir, para enfriar los bloques de uranio. El problema de recolectar y usar el calor liberado durante una reacción nuclear aún no se ha considerado ni en la URSS ni en los EE. UU. Las cuestiones más importantes sobre la forma de diseñar un reactor de potencia para centrales nucleares eran: qué tipo de reactor (de neutrones rápidos o lentos) sería el más adecuado, cuál debería ser el moderador de neutrones (grafito o agua pesada), qué podría servir como refrigerante (agua, gas o metal liquido) cual debe ser su temperatura y presion. Además, hubo muchas otras preguntas, por ejemplo, sobre materiales, sobre seguridad para el personal y sobre el aumento de la eficiencia. Al final, Feinberg y Dollezhal se decidieron por lo que ya se había probado: comenzaron a desarrollar un reactor de neutrones lentos con un moderador de grafito y agua refrigerante. Ya se ha acumulado una buena experiencia práctica y teórica en su uso. Esto predeterminó el éxito de su proyecto. En 1950, el consejo técnico del Ministerio de Construcción de Maquinaria Media eligió un reactor desarrollado por NIIkhimmash entre varias opciones propuestas. El diseño de la central eléctrica en su conjunto (se decidió construirla en Obninsk) se confió a uno de los institutos de investigación de Leningrado, dirigido por Gutov. La capacidad prevista de la primera central nuclear, 5000 kW, se eligió en gran parte por casualidad. En ese momento, el MAES desmanteló un turbogenerador de 5000 kW completamente funcional y lo transportó a Obninsk, que estaba en construcción. Bajo él, decidieron diseñar toda la planta de energía nuclear.
El reactor de potencia no era tanto un objeto industrial como científico. La construcción de la central nuclear fue supervisada directamente por el Laboratorio de Física y Energía de Obninsk, fundado en 1947. En los primeros años, no había suficientes fuerzas científicas ni el equipo necesario. Las condiciones de vida también estaban lejos de ser aceptables. La ciudad recién se estaba construyendo. Las calles sin pavimentar se cubrieron en primavera y otoño con un lodo intransitable, en el que los autos quedaron atrapados irremediablemente. La mayoría de los habitantes se apiñaban en barracones de madera e incómodas casas "finlandesas". El laboratorio estaba ubicado en edificios que eran completamente aleatorios e inadecuados para fines científicos (uno era una antigua colonia infantil, el otro era la mansión de los Morozov). La electricidad era generada por una antigua turbina de vapor de 500 kW. Cuando se detuvo, todo el pueblo y el sitio de construcción se sumieron en la oscuridad. Los cálculos más complejos se hicieron manualmente. Sin embargo, los científicos (muchos de los cuales habían regresado recientemente del frente) soportaron dificultades. La idea de que estaban diseñando y construyendo la primera central nuclear del mundo excitaba las mentes y despertaba un gran entusiasmo. En cuanto a los problemas puramente científicos, también eran muy difíciles. La diferencia fundamental entre un reactor de potencia y un reactor industrial era que en el segundo tipo de reactor, el agua servía únicamente como refrigerante y no cumplía ninguna otra función. Además, el exceso de calor removido por el agua era tal que su temperatura no alcanzaba del todo el punto de ebullición. Aquí, el agua debía actuar como portador de energía, es decir, servir para la formación de vapor capaz de realizar un trabajo útil. Por lo tanto, era necesario elevar la temperatura y la presión tanto como fuera posible. Para el funcionamiento eficiente del turbogenerador era necesario al menos obtener vapor con una temperatura superior a los 200 grados y una presión de 12 atm (que, por cierto, era muy pequeña para esa época, pero decidimos limitarnos a estos parámetros por ahora).
Durante la construcción se tomó como base el diseño de un reactor industrial. Solo en lugar de barras de uranio, se proporcionaron elementos de eliminación de calor de uranio: elementos combustibles. La diferencia entre ellos era que el agua fluía alrededor de la varilla desde el exterior, mientras que la varilla de combustible era un tubo de doble pared. El uranio enriquecido se encontraba entre las paredes y el agua fluía a través del canal interior. Los cálculos han demostrado que con un diseño de este tipo es mucho más fácil calentarlo a la temperatura deseada. De acuerdo con los dibujos preliminares, se avecinaba la siguiente apariencia del reactor. En la parte media del cuerpo cilíndrico con un diámetro de más de 1,5 m, hay una zona activa: una mampostería de grafito de unos 170 cm de altura, atravesada por canales. Algunos de ellos estaban destinados a elementos combustibles, otros a barras que absorben neutrones y mantienen automáticamente el equilibrio en un nivel determinado. El agua fría (que en realidad no está fría en absoluto; su temperatura es de aproximadamente 190 grados) debe fluir hacia la parte inferior del conjunto de la barra de combustible. Después de pasar por los elementos disipadores de calor y calentarse 80 grados más, caía en la parte superior del conjunto y de allí al colector de agua caliente. Para que no hierva y se convierta en vapor (esto podría causar un funcionamiento anormal del reactor), tenía que estar bajo una presión de 100 atm. Desde el colector, el agua radiactiva caliente fluía a través de tuberías hasta un intercambiador de calor-generador de vapor, después de lo cual, después de pasar por una bomba circular, regresaba al colector de agua fría. Esta corriente se denominó primer circuito. El refrigerante (agua) circulaba en él en círculo vicioso, sin penetrar al exterior. En el segundo circuito, el agua actuó como fluido de trabajo. Aquí ella no era radiactiva y era segura para los demás. Habiéndose calentado hasta 190 grados en el intercambiador de calor y convertido en vapor a una presión de 12 atm, se suministró a la turbina, donde realizó su trabajo útil. El vapor que salía de la turbina debía condensarse y enviarse de regreso al generador de vapor. La eficiencia de toda la central eléctrica fue del 17%. Este esquema aparentemente fácil de describir era, de hecho, técnicamente muy complejo. La teoría del reactor no existía entonces, nació junto con ella. Las barras de combustible eran un elemento especialmente complejo, cuyo diseño dependía en gran medida de la eficiencia de toda la instalación. Los procesos que tenían lugar en ellos eran muy complejos desde todos los puntos de vista: había que decidir cómo y cómo cargar uranio en ellos, en qué medida debía enriquecerse, cómo lograr la circulación del agua a alta presión y cómo para asegurar el intercambio de calor. De varias opciones, se eligieron elementos combustibles desarrollados por Vladimir Malykh - con polvo de uranio-molibdeno (el uranio se enriqueció hasta un 5%), prensado con magnesio finamente dividido - se suponía que este metal crearía un contacto térmico efectivo de la aleación de uranio-molibdeno con la pared del elemento combustible.
No solo el llenado del elemento combustible, sino también su revestimiento creaba un problema. El material de los elementos que eliminan el calor debe tener fuerza, resistencia a la corrosión y no debe cambiar sus propiedades bajo una exposición prolongada a la radiación. El mejor material desde el punto de vista químico, el acero inoxidable, no fue del agrado de los físicos, ya que absorbía fuertemente los neutrones. Al final, Dollezhal, sin embargo, se decidió por el acero. Para compensar sus propiedades absorbentes, se decidió aumentar el porcentaje de uranio enriquecido (mucho más tarde, se desarrolló una aleación especial de circonio para elementos combustibles que cumplía con todas las condiciones necesarias).
La fabricación de barras de combustible y la soldadura de acero inoxidable resultó ser extremadamente difícil. Cada elemento de combustible tenía varias costuras, y había 128. Mientras tanto, los requisitos para la estanqueidad de las costuras eran los más altos: su ruptura y la entrada de agua caliente a alta presión en el núcleo del reactor amenazaban con un desastre. Uno de los muchos institutos que han trabajado en este tema se ha encargado de desarrollar tecnología de soldadura de acero inoxidable. Al final, el trabajo se completó con éxito. El reactor fue puesto en marcha en mayo de 1954, y en junio del mismo año, la central nuclear dio su primera corriente. En la primera central nuclear se pensó cuidadosamente el sistema de control de los procesos que tenían lugar en el reactor. Se crearon dispositivos para el control remoto automático y manual de las barras de control, para la parada de emergencia del reactor y dispositivos para el reemplazo de las barras de combustible. Se sabe que una reacción nuclear comienza solo cuando se alcanza una cierta masa crítica del material fisionable. Sin embargo, durante la operación del reactor, el combustible nuclear se quema. Por tanto, es necesario calcular una cantidad importante de combustible para asegurar el funcionamiento del reactor durante un tiempo más o menos significativo. La influencia de esta reserva supercrítica en el curso de la reacción fue compensada por varillas especiales que absorben el exceso de neutrones. Si era necesario aumentar la potencia del reactor (a medida que se quemaba el combustible), las barras de control se extendían un poco desde el núcleo del reactor y se instalaban en una posición en la que el reactor estaba al borde de una reacción en cadena y fisión activa de uranio. estaban teniendo lugar los núcleos. Finalmente, se proporcionaron barras de protección de emergencia, cuya inmersión en el núcleo extinguió instantáneamente la reacción nuclear. Autor: Ryzhov K.V.
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