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テクノロジーの歴史、テクノロジー、私たちの周りのオブジェクト
原子力発電所。 発明と生産の歴史
ディレクトリ / テクノロジーの歴史、テクノロジー、私たちの周りのオブジェクト 原子力発電所 (NPP) - 特定のモードおよび使用条件でエネルギーを生産するための原子力施設であり、プロジェクトによって定義された領域内に位置し、原子炉と必要なシステム、装置、機器の複合体が含まれます。そして、必要な労働者（人員）を備えた構造がこの目的のために使用されます。 世界初の原子力発電所は、広島への原爆投下からXNUMX年後にソ連に建設されました。 テクノロジーの歴史の中で最も重要なこの出来事に先立って、独自の核兵器を開発するための熱狂的かつ熱心な作業が行われました。 科学研究は、著名な科学者であり才能のある組織者であるイーゴリ・クルチャトフによって率いられました。
1943年、クルチャトフはモスクワに独自の研究センターを設立しました（当時は第2研究所と呼ばれていましたが、後に原子力研究所に変わりました）。 この研究所と他のいくつかの研究所では、アメリカの科学者のすべての研究が可能な限り短時間で繰り返され、純粋なウランと純粋なグラファイトが得られました。 1946 年 1 月、最初の連鎖反応が実験用核ウラン黒鉛炉 F100 で行われました。 この原子炉の出力はかろうじて XNUMX ワットに達しました。 しかし、すでに開発が本格化している大型工業用原子炉の設計の基礎となる重要なデータを取得することができました。 ソ連でそのような原子炉を建設した経験はありませんでした。 少し考えた後、クルチャトフはこの仕事をニコライ・ドレジャルが率いるNIIkhimmashに任せることに決めました。 ドレズハルは純粋な機械化学者であり、核物理学を学んだことはありませんでしたが、彼の知識は非常に価値があることが証明されました。 しかし、NIIkhimmash も自分自身で原子炉を作成することはできなかったでしょう。 この作業は、さらにいくつかの機関が参加して初めて成功しました。 ドレズハル原子炉の動作原理と設計は一般的に明確でした。ウランブロックと制御棒用のチャネルを備えたグラファイトブロック-中性子吸収体は金属ケースに配置されました。 ウランの総質量は、物理学者によって計算された必要な値に達する必要があり、そこでウラン原子の核分裂の持続的な連鎖反応が始まりました。 ウラン核の核分裂反応の結果、XNUMX つの破片 (XNUMX つの新しい核) だけでなく、いくつかの中性子も出現しました。 これらの第 0 世代の中性子は反応をサポートする役割を果たし、その結果、第 75 世代、第 150 世代などの中性子が生成されました。 平均して、発生した中性子XNUMX個ごとに、核分裂の瞬間に即座にではなく、少し後に破片から飛び出したのはごくわずかでした。 これらのいわゆる遅延中性子の存在は、ウランの核分裂プロセスの細部であり、制御された連鎖反応の可能性にとって決定的です。 数分の一秒遅れるものもあれば、数秒以上遅れるものもあります。 遅延中性子の数は全数の XNUMX% にすぎませんが、中性子束の成長率を大幅に (約 XNUMX 倍) 遅くし、原子炉出力の調整作業を容易にします。 この間、中性子を吸収するロッドを操作することで、反応の過程に介入したり、反応を遅くしたり、加速したりすることができます。 ほとんどの中性子は核分裂と同時に生まれ、寿命が短い (約 XNUMX 万分の XNUMX 秒) ため、反応過程に影響を与えることは不可能です。始めました。 この情報に基づいて、Dollezhal のチームはこのタスクに迅速に対処することができました。 すでに 1948 年には、複数の工業用原子炉を備えたプルトニウム工場が建設され、1949 年 XNUMX 月には最初のソ連の原子爆弾がテストされました。 その後、クルチャトフは原子力の平和利用にもっと注意を払うことができました。 彼の指示で、ファインバーグとドレズハルは、原子力発電所の原子炉の設計を開発し始めました。 XNUMX つ目は物理計算を行い、XNUMX つ目はエンジニアリングを行いました。 原子炉が兵器級プルトニウムの生産者であるだけでなく、強力な発電所にもなり得るという事実は、最初の作成者に明らかになりました。 進行中の核反応の外部症状の XNUMX つは、放射性放射線とともに、大量の熱の放出です。 原子爆弾では、この熱が瞬時に放出され、その損傷要因の XNUMX つとなります。 連鎖反応がいわばくすぶっている状態の原子炉では、激しい熱放出が数か月、さらには数年も続く可能性があり、数キログラムのウランは、数千トンの燃焼中に放出されるエネルギーと同じ量のエネルギーを放出する可能性があります。従来の燃料の。 ソビエトの物理学者はすでに核反応を制御する方法を学んでいたので、発電用原子炉を作るという問題は、それから熱を取り除く方法を見つけることになりました。 クルチャトフの実験の過程で得られた経験は非常に貴重でしたが、多くの質問には答えませんでした. その時までに建設された原子炉はどれも動力炉ではありませんでした。 産業用原子炉では、熱エネルギーは不必要であるだけでなく、有害でもありました。つまり、ウランブロックを冷却するために、熱エネルギーを除去する必要がありました。 核反応中に放出される熱を収集して使用する問題は、ソ連でも米国でもまだ考慮されていません。 原子力発電所用の動力炉を設計する際の最も重要な問題は、どのタイプの原子炉 (高速中性子または低速中性子) が最も適切か、中性子減速材 (黒鉛または重水) をどのようにすべきか、何が役立つかということでした。冷却剤（水、ガス、または液体金属）として、その温度と圧力はどうあるべきか。 さらに、材料、人員の安全、効率の向上など、他にも多くの質問がありました。 最終的に、Feinberg と Dollezhal は、すでにテスト済みのものに落ち着きました。彼らは、グラファイト減速材と冷却水を備えた低速中性子原子炉の開発を開始しました。 優れた実践的および理論的経験は、それらの使用においてすでに蓄積されています。 これが彼らのプロジェクトの成功を決定づけました。 1950 年、中型機械製造省の技術評議会は、いくつかの提案されたオプションの中から NIIkhimmash によって開発された原子炉を選択しました。 発電所全体の設計（オブニンスクに建設することが決定された）は、グトフが率いるレニングラード研究所の5000つに委託されました。 最初の原子力発電所の計画容量である 5000 kW は、ほとんどが偶然に選ばれたものです。 ちょうどその時、MAES は完全に機能する XNUMX kW ターボ発電機を廃止し、建設中のオブニンスクに輸送しました。 その下で、彼らは原子力発電所全体を設計することを決定しました。
発電用原子炉は工業用ではなく、科学的な目的でした。 原子力発電所の建設は、1947 年に設立されたオブニンスク物理エネルギー研究所によって直接監督されました。 初期の頃は、十分な科学力も必要な設備もありませんでした。 生活条件も許容範囲にはほど遠いものでした。 街は建設中だった。 春と秋には、舗装されていない道路が土砂で覆われ、車が立ち往生してしまいます。 住民のほとんどは、木造の兵舎と居心地の悪い「フィンランド式」の家に身を寄せていました。 実験室は、完全にランダムで科学的目的には適さない建物にありました (XNUMX つは元子供の植民地で、もう XNUMX つはモロゾフの邸宅でした)。 電力は、古い 500 kW の蒸気タービンによって生成されました。 彼女が立ち止まると、村全体と建設現場は暗闇に突入しました。 最も複雑な計算は手動で行われました。 しかし、科学者 (その多くは戦線から戻ったばかり) は苦難に耐えました。 彼らが世界初の原子力発電所を設計し、建設しているという考えは、心を奮い立たせ、大きな熱意を呼び起こしました。 純粋に科学的な問題に関しては、それらも非常に困難でした。 発電用原子炉と産業用原子炉の根本的な違いは、後者の原子炉では水が冷却材としてのみ機能し、他の機能を持たないことでした。 さらに、水によって取り除かれた余分な熱は、その温度が沸点に達しないほどのものでした。 ここでは、水はエネルギーキャリアとして機能すること、つまり、有用な仕事を実行できる蒸気の形成に役立つことでした。 そのため、できるだけ温度と圧力を上げる必要がありました。 タービン発電機を効率的に運転するには、少なくとも温度が 200 度を超え、圧力が 12 気圧の蒸気を得る必要がありました (ちなみに、当時は非常に小さかったのですが、今のところこれらのパラメータ)。
建設中、工業用原子炉の設計が基礎として採用されました。 ウラン棒の代わりに、ウラン熱除去要素 - 燃料要素のみが提供されました。 それらの違いは、燃料棒が二重壁の管であるのに対し、水が外側から棒の周りを流れることでした。 濃縮ウランは壁の間にあり、水は内側の水路を通って流れました。 計算によると、このような設計では、目的の温度まで加熱する方がはるかに簡単です。 ドラフト図面によると、原子炉の次の外観が迫っていました。 直径が 1,5 m を超える円筒体の中央部には、チャネルが貫通する高さ約 170 cm のグラファイト石積みのアクティブ ゾーンがあります。 それらのいくつかは燃料要素を目的としており、他のものは中性子を吸収して特定のレベルで自動的に平衡を維持する棒を目的としていました。 冷水 (実際にはまったく冷たくない - その温度は約 190 度) が燃料棒集合体の下部に流れ込むはずです。 除熱エレメントを通過して80度熱くなった後、アッセンブリーの上部に落ち、そこから集湯器に入ります。 沸騰して蒸気にならないようにするために（これは原子炉の異常動作を引き起こす可能性があります）、100気圧の圧力下になければなりませんでした。 コレクターから、高温の放射性水がパイプを通って熱交換器 - 蒸気発生器に流れ込み、その後、循環ポンプを通過した後、冷水コレクターに戻りました。 この電流は最初の回路と呼ばれました。 クーラント（水）は、外部に浸透することなく、悪循環で循環しました。 190番目の回路では、水が作動流体として機能しました。 ここで彼女は非放射性で、他の人にとって安全でした. 熱交換器で12度まで加熱され、17気圧の圧力で蒸気に変わった後、タービンに供給され、そこで有用な仕事をしました。 タービンを出た蒸気は凝縮されて蒸気発生器に戻されることになっていました。 発電所全体の効率は XNUMX% でした。 この一見簡単に説明できるスキームは、実際には技術的に非常に複雑でした。 その時、原子炉の理論は存在しませんでした-それはそれとともに生まれました。 燃料棒は特に複雑な要素であり、その設計は設備全体の効率に大きく依存していました。 それらで行われたプロセスは、あらゆる観点から非常に複雑でした。どのようにウランをそれらにロードするか、どの程度濃縮する必要があるか、高圧下で水を循環させる方法、およびどのように行うかを決定する必要がありました。熱交換を確実にします。 いくつかのオプションから、ウラジミール・マリフによって開発された燃料要素が選択されました-ウラン-モリブデン粉末（ウランは最大5％濃縮されました）、細かく分割されたマグネシウムでプレスされました-この金属は、ウラン-モリブデン合金とフューエルエレメントの壁。
燃料要素の充填だけでなく、その被覆も問題を引き起こしました。 熱除去要素の材料は、強度と耐腐食性を備えている必要があり、放射線に長時間さらされても特性が変化してはなりません。 化学的観点から見た最高の素材であるステンレス鋼は、中性子を強く吸収するため、物理学者には好まれませんでした。 それにもかかわらず、ドレズハルは最終的に鋼に落ち着きました。 その吸収特性を補うために、濃縮ウランの割合を増やすことが決定されました（ずっと後に、必要なすべての条件を満たす燃料要素用の特別なジルコニウム合金が開発されました）。
燃料棒の製造とステンレス鋼の溶接は非常に困難であることが判明しました。 各燃料要素にはいくつかの継ぎ目があり、そのような燃料要素は 128 ありました. 一方、継ぎ目のきつさに対する要件は最も高く、それらの破裂と高圧下の熱水が原子炉の炉心に侵入すると、災害が発生する恐れがありました。 この問題に取り組んできた多くの機関の 1954 つは、ステンレス鋼の溶接技術の開発を任されています。 結局、仕事は無事に終わりました。 原子炉は XNUMX 年 XNUMX 月に打ち上げられ、同年 XNUMX 月に原子力発電所が最初の電流を流しました。 最初の原子力発電所では、原子炉内で行われるプロセスの制御システムが慎重に検討されました。 制御棒の自動および手動遠隔制御、原子炉の緊急停止、および燃料棒を交換するための装置が作成されました。 核分裂性物質の特定の臨界質量に達したときにのみ核反応が始まることが知られています。 しかし、原子炉の運転中に核燃料が燃え尽きます。 したがって、多かれ少なかれかなりの時間、原子炉の運転を確実にするために、かなりの量の燃料を計算する必要がある。 反応の過程に対するこの超臨界予備力の影響は、過剰な中性子を吸収する特別なロッドによって補償されました。 原子炉の出力を上げる必要がある場合（燃料が燃え尽きたため）、制御棒は原子炉の炉心からいくらか延長され、原子炉が連鎖反応とウランの活発な核分裂の危機に瀕している位置に設置されました。核が発生していました。 最後に、緊急保護棒が提供され、それをコアに下げると核反応が即座に消滅しました。 著者：Ryzhov K.V.
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