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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Kernkraftwerk. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Kernkraftwerk (KKW) – eine Kernanlage zur Energieerzeugung in bestimmten Nutzungsarten und -bedingungen, die sich innerhalb des durch das Projekt definierten Gebiets befindet und in der sich ein Kernreaktor (Reaktoren) und ein Komplex notwendiger Systeme, Geräte und Ausrüstungen befinden Hierzu werden Strukturen mit den erforderlichen Arbeitskräften (Personal) eingesetzt. Das erste Atomkraftwerk der Welt wurde neun Jahre nach dem Atombombenabwurf auf Hiroshima in der UdSSR gebaut. Diesem wichtigsten Ereignis in der Geschichte der Technik gingen fieberhafte und intensive Arbeiten zur Entwicklung eigener Atomwaffen voraus. Die wissenschaftliche Forschung wurde von einem prominenten Wissenschaftler und talentierten Organisator Igor Kurtschatow geleitet.
1943 gründete Kurchatov sein eigenes Forschungszentrum in Moskau (damals hieß es Labor Nr. 2 und wurde später in das Institut für Atomenergie umgewandelt). In diesem und einigen anderen Laboratorien wurden alle Studien amerikanischer Wissenschaftler in kürzester Zeit wiederholt, reines Uran und reines Graphit wurden gewonnen. Im Dezember 1946 wurde hier am nuklearen Uran-Graphit-Versuchsreaktor F1 die erste Kettenreaktion durchgeführt. Die Leistung dieses Reaktors erreichte kaum 100 Watt. Es gelang ihm jedoch, wichtige Daten zu gewinnen, die als Grundlage für die Konstruktion eines großen Industriereaktors dienten, dessen Entwicklung bereits in vollem Gange war. In der UdSSR gab es keine Erfahrung mit dem Bau eines solchen Reaktors. Nach einigem Nachdenken beschloss Kurchatov, diese Arbeit NIIkhimmash anzuvertrauen, die von Nikolai Dollezhal geleitet wurde. Obwohl Dollezhal ein rein mechanischer Chemiker war und nie Kernphysik studiert hatte, erwiesen sich seine Kenntnisse als sehr wertvoll. Allerdings wäre NIIkhimmash auch nicht in der Lage gewesen, einen Reaktor selbst zu bauen. Die Arbeit verlief erst erfolgreich, nachdem mehrere andere Institute sich ihr angeschlossen hatten. Das Funktionsprinzip und die Vorrichtung des Dollezhal-Reaktors waren im Allgemeinen klar: Graphitblöcke mit Kanälen für Uranblöcke und Steuerstäbe - Neutronenabsorber wurden in ein Metallgehäuse gelegt. Die Gesamtmasse des Urans musste den von Physikern berechneten erforderlichen Wert erreichen, bei dem die anhaltende Kettenreaktion der Spaltung von Uranatomen einsetzte. Als Ergebnis der Spaltreaktion von Urankernen erschienen nicht nur zwei Fragmente (zwei neue Kerne), sondern auch mehrere Neutronen. Diese Neutronen der ersten Generation dienten zur Unterstützung der Reaktion, die zu Neutronen der zweiten Generation, der dritten usw. führte. Im Durchschnitt wurden von tausend entstandenen Neutronen nur wenige nicht sofort im Moment der Spaltung geboren, sondern flogen wenig später aus den Fragmenten heraus. Entscheidend für die Möglichkeit einer kontrollierten Kettenreaktion ist die Existenz dieser sogenannten verzögerten Neutronen, die ein kleines Detail im Prozess der Uranspaltung sind. Einige von ihnen sind um den Bruchteil einer Sekunde verzögert, andere um Sekunden oder mehr. Die Zahl der verzögerten Neutronen beträgt nur 0 % ihrer Gesamtzahl, sie verlangsamen jedoch die Wachstumsrate des Neutronenflusses erheblich (um etwa das 75-fache) und erleichtern dadurch die Aufgabe, die Reaktorleistung zu regulieren. Während dieser Zeit ist es möglich, durch Manipulation der Neutronen absorbierenden Stäbchen in den Reaktionsablauf einzugreifen, ihn zu verlangsamen oder zu beschleunigen. Die meisten Neutronen werden gleichzeitig mit der Spaltung geboren, und in ihrer kurzen Lebensdauer (etwa hunderttausendstel Sekunden) ist es unmöglich, den Verlauf der Reaktion in irgendeiner Weise zu beeinflussen, ebenso wie es unmöglich ist, eine bereits erfolgte Atomexplosion zu stoppen begonnen. Basierend auf diesen Informationen konnte Dollezhals Team die Aufgabe schnell bewältigen. Bereits 1948 wurde eine Plutoniumfabrik mit mehreren Industriereaktoren gebaut und im August 1949 die erste sowjetische Atombombe getestet. Danach könnte Kurchatov der friedlichen Nutzung der Atomenergie mehr Aufmerksamkeit schenken. Auf seine Anweisung hin begannen Feinberg und Dollezhal mit der Entwicklung eines Entwurfs für einen Reaktor für ein Kernkraftwerk. Der erste führte physikalische Berechnungen durch und der zweite - Engineering. Dass ein Kernreaktor nicht nur waffenfähiges Plutonium produzieren kann, sondern auch ein mächtiges Kraftwerk, wurde seinen ersten Schöpfern klar. Eine der äußeren Manifestationen der laufenden Kernreaktion ist neben der radioaktiven Strahlung eine erhebliche Wärmefreisetzung. In einer Atombombe wird diese Wärme sofort freigesetzt und dient als einer ihrer schädlichen Faktoren. In einem Reaktor, in dem die Kettenreaktion sozusagen schwelt, kann eine intensive Wärmefreisetzung über Monate und sogar Jahre andauern, und ein paar Kilogramm Uran können so viel Energie freisetzen, wie bei der Verbrennung von mehreren tausend freigesetzt wird Tonnen konventioneller Kraftstoff. Da die sowjetischen Physiker bereits gelernt hatten, wie man eine Kernreaktion kontrolliert, reduzierte sich das Problem der Schaffung eines Leistungsreaktors darauf, Wege zu finden, ihm Wärme zu entziehen. Die während der Experimente von Kurchatov gesammelten Erfahrungen waren sehr wertvoll, beantworteten jedoch nicht viele Fragen. Keiner der damals gebauten Reaktoren war ein Leistungsreaktor. In Industriereaktoren war thermische Energie nicht nur unnötig, sondern auch schädlich – sie musste abgeführt werden, also um die Uranblöcke zu kühlen. Das Problem der Sammlung und Nutzung der bei einer Kernreaktion freigesetzten Wärme wurde bisher weder in der UdSSR noch in den USA in Betracht gezogen. Die wichtigsten Fragen bei der Auslegung eines Leistungsreaktors für Kernkraftwerke waren: Welcher Reaktortyp (auf schnellen oder langsamen Neutronen) wäre am besten geeignet, was sollte der Neutronenmoderator sein (Graphit oder schweres Wasser), was könnte dienen wie ein Kühlmittel (Wasser, Gas oder flüssiges Metall) seine Temperatur und seinen Druck haben sollte. Darüber hinaus gab es viele weitere Fragen, wie Materialien, Sicherheit für das Personal und Effizienzsteigerung. Am Ende entschieden sich Feinberg und Dollezhal für das, was bereits getestet worden war: Sie begannen mit der Entwicklung eines langsamen Neutronenreaktors mit einem Graphitmoderator und einem Wasserkühlmittel. In ihrer Anwendung wurden bereits gute praktische und theoretische Erfahrungen gesammelt. Dies bestimmte den Erfolg ihres Projekts. 1950 wählte der technische Rat des Ministeriums für mittleren Maschinenbau einen von NIIkhimmash entwickelten Reaktor aus mehreren vorgeschlagenen Optionen aus. Die Planung des gesamten Kraftwerks (es wurde beschlossen, es in Obninsk zu bauen) wurde einem der Leningrader Forschungsinstitute unter der Leitung von Gutov anvertraut. Die geplante Leistung des ersten Kernkraftwerks, 5000 kW, war weitgehend zufällig gewählt. In diesem Moment hat die MAES einen voll funktionsfähigen 5000-kW-Turbogenerator außer Betrieb genommen und in das im Bau befindliche Obninsk transportiert. Darunter beschlossen sie, das gesamte Kernkraftwerk zu entwerfen.
Der Leistungsreaktor war weniger ein industrielles als ein wissenschaftliches Objekt. Der Bau des Kernkraftwerks wurde direkt vom 1947 gegründeten Obninsk Physics and Energy Laboratory überwacht. In den Anfangsjahren gab es weder genügend wissenschaftliche Kräfte noch die nötige Ausrüstung. Auch die Lebensbedingungen waren alles andere als akzeptabel. Die Stadt wurde gerade gebaut. Unbefestigte Straßen waren im Frühjahr und Herbst mit unpassierbarem Schlamm bedeckt, in dem Autos hoffnungslos stecken blieben. Die meisten Einwohner kauerten in Holzbaracken und ungemütlichen "finnischen" Häusern. Das Labor befand sich in Gebäuden, die völlig willkürlich und für wissenschaftliche Zwecke ungeeignet waren (eines war eine ehemalige Kinderkolonie, das andere das Herrenhaus der Morozovs). Strom wurde von einer alten 500-kW-Dampfturbine erzeugt. Als sie anhielt, tauchte das ganze Dorf und die Baustelle in Dunkelheit. Die komplexesten Berechnungen wurden manuell durchgeführt. Wissenschaftler (von denen viele erst kürzlich von der Front zurückgekehrt waren) mussten jedoch Entbehrungen ertragen. Die Vorstellung, dass sie das erste Kernkraftwerk der Welt planen und bauen, begeisterte die Gemüter und löste große Begeisterung aus. Auch die rein wissenschaftlichen Probleme waren sehr schwierig. Der grundlegende Unterschied zwischen einem Leistungsreaktor und einem Industriereaktor bestand darin, dass Wasser beim zweiten Reaktortyp nur als Kühlmittel diente und keine weiteren Funktionen hatte. Darüber hinaus war die überschüssige Wärme, die durch das Wasser entfernt wurde, so groß, dass seine Temperatur nicht ganz den Siedepunkt erreichte. Hier sollte Wasser als Energieträger fungieren, also zur Bildung von Dampf dienen, der nützliche Arbeit leisten kann. Daher war es notwendig, die Temperatur und den Druck so weit wie möglich zu erhöhen. Für den effizienten Betrieb des Turbogenerators war es zumindest notwendig, Dampf mit einer Temperatur von über 200 Grad und einem Druck von 12 atm zu erhalten (was für diese Zeit übrigens sehr gering war, aber wir beschlossen, uns darauf zu beschränken diese Parameter vorerst).
Bei der Konstruktion wurde das Design eines Industriereaktors zugrunde gelegt. Nur anstelle von Uranstäben wurden Uran-Wärmeabfuhrelemente - Brennelemente vorgesehen. Der Unterschied zwischen ihnen war, dass Wasser den Stab von außen umfloss, während der Brennstab ein doppelwandiges Rohr war. Zwischen den Wänden befand sich angereichertes Uran, und durch den inneren Kanal floss Wasser. Berechnungen haben gezeigt, dass es mit einer solchen Konstruktion viel einfacher ist, sie auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen. Nach den Entwurfszeichnungen zeichnete sich folgendes Aussehen des Reaktors ab. Im mittleren Teil des zylindrischen Körpers mit einem Durchmesser von mehr als 1,5 m befindet sich eine aktive Zone - ein etwa 170 cm hohes Graphitmauerwerk, das von Kanälen durchzogen ist. Einige von ihnen waren für Brennelemente gedacht, andere für Stäbe, die Neutronen absorbieren und automatisch ein Gleichgewicht auf einem bestimmten Niveau halten. Kaltes Wasser (das eigentlich überhaupt nicht kalt ist - seine Temperatur beträgt etwa 190 Grad) sollte in den unteren Teil des Brennstabbündels fließen. Nachdem es die wärmeabführenden Elemente passiert hatte und um 80 Grad heißer wurde, fiel es in den oberen Teil der Baugruppe und von dort in den Warmwassersammler. Um nicht zu kochen und sich in Dampf umzuwandeln (dies könnte zu einem anormalen Betrieb des Reaktors führen), musste er unter einem Druck von 100 atm stehen. Vom Kollektor floss heißes radioaktives Wasser durch Rohre in einen Wärmetauscher-Dampferzeuger, von wo es nach Durchlaufen einer Kreispumpe zum Kaltwasserkollektor zurückkehrte. Dieser Strom wurde der erste Stromkreis genannt. Das Kühlmittel (Wasser) zirkulierte darin in einem Teufelskreis, ohne nach außen zu dringen. Im zweiten Kreislauf diente Wasser als Arbeitsmedium. Hier war sie nicht radioaktiv und sicher für andere. Nachdem es im Wärmetauscher auf 190 Grad erhitzt und mit einem Druck von 12 atm in Dampf umgewandelt wurde, wurde es der Turbine zugeführt, wo es seine nützliche Arbeit verrichtete. Der aus der Turbine austretende Dampf sollte kondensiert und zum Dampferzeuger zurückgeführt werden. Der Wirkungsgrad des gesamten Kraftwerks betrug 17 %. Dieses scheinbar einfach zu beschreibende Schema war tatsächlich technisch sehr komplex. Die Theorie des Reaktors existierte damals noch nicht – sie wurde mit ihr geboren. Brennstäbe waren ein besonders komplexes Element, dessen Konstruktion maßgeblich von der Effizienz der gesamten Anlage abhing. Die Prozesse, die in ihnen stattfanden, waren in jeder Hinsicht sehr komplex: Es musste entschieden werden, wie und wie Uran in sie geladen werden sollte, inwieweit es angereichert werden sollte, wie eine Wasserzirkulation unter hohem Druck erreicht werden sollte und wie Wärmeaustausch zu gewährleisten. Aus mehreren Optionen wurden von Vladimir Malykh entwickelte Brennstäbe ausgewählt - mit Uran-Molybdän-Pulver (Uran wurde auf 5% angereichert), gepresst mit fein verteiltem Magnesium - dieses Metall sollte einen effektiven thermischen Kontakt der Uran-Molybdän-Legierung herstellen der Brennstabwand.
Nicht nur die Befüllung des Brennelements, sondern auch seine Umhüllung bereitete ein Problem. Das Material der wärmeabführenden Elemente musste Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweisen und sollte seine Eigenschaften bei längerer Einwirkung von Strahlung nicht verändern. Das aus chemischer Sicht beste Material – Edelstahl – gefiel den Physikern nicht, da es Neutronen stark absorbierte. Am Ende entschied sich Dollezhal dennoch für Stahl. Um seine absorbierenden Eigenschaften zu kompensieren, wurde beschlossen, den Anteil an angereichertem Uran zu erhöhen (viel später wurde eine spezielle Zirkoniumlegierung für Brennstäbe entwickelt, die alle erforderlichen Bedingungen erfüllte).
Die Herstellung von Brennstäben und das Schweißen von Edelstahl erwiesen sich als äußerst schwierig. Jedes Brennelement hatte mehrere Nähte, und es gab 128 solcher Brennelemente, wobei die Anforderungen an die Dichtheit der Nähte am höchsten waren - ihr Bruch und das Eindringen von heißem Wasser unter hohem Druck in den Reaktorkern drohten zu katastrophal. Eines der vielen Institute, die sich mit diesem Problem beschäftigt haben, wurde mit der Entwicklung der Edelstahl-Schweißtechnik beauftragt. Am Ende wurde die Arbeit erfolgreich abgeschlossen. Der Reaktor wurde im Mai 1954 in Betrieb genommen, und im Juni desselben Jahres gab das Kernkraftwerk seinen ersten Strom ab. Beim ersten Kernkraftwerk wurde das Steuersystem für die im Reaktor ablaufenden Prozesse sorgfältig durchdacht. Es wurden Geräte zur automatischen und manuellen Fernsteuerung von Steuerstäben, zur Notabschaltung des Reaktors und Geräte zum Austausch von Brennstäben geschaffen. Es ist bekannt, dass eine Kernreaktion erst beginnt, wenn eine bestimmte kritische Masse des spaltbaren Materials erreicht ist. Während des Betriebs des Reaktors brennt jedoch Kernbrennstoff aus. Daher ist es notwendig, eine erhebliche Brennstoffmenge zu berechnen, um den Betrieb des Reaktors für eine mehr oder weniger lange Zeit sicherzustellen. Der Einfluss dieser überkritischen Reserve auf den Reaktionsverlauf wurde durch spezielle Stäbe kompensiert, die überschüssige Neutronen absorbieren. Wenn es notwendig war, die Leistung des Reaktors zu erhöhen (als der Brennstoff ausbrannte), wurden die Steuerstäbe etwas aus dem Reaktorkern herausgezogen und an einer Stelle installiert, an der der Reaktor kurz vor einer Kettenreaktion und einer aktiven Uranspaltung stand Kerne stattfanden. Schließlich wurden Notschutzstangen bereitgestellt, deren Absenken in den Kern die Kernreaktion sofort löschte. Autor: Ryzhov K.V.
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