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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Usina nuclear. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor Usina nuclear (NPP) - uma instalação nuclear para a produção de energia em modos e condições de uso especificados, localizada dentro do território definido pelo projeto, na qual um reator nuclear (reatores) e um complexo de sistemas, dispositivos, equipamentos necessários e são utilizadas estruturas com os trabalhadores necessários para esse fim (pessoal). A primeira usina nuclear do mundo foi construída na URSS nove anos após o bombardeio atômico de Hiroshima. Este evento mais importante da história da tecnologia foi precedido por um trabalho febril e intenso para criar nossas próprias armas nucleares. A pesquisa científica foi chefiada por um proeminente cientista e talentoso organizador Igor Kurchatov.
Em 1943, Kurchatov criou seu próprio centro de pesquisa em Moscou (na época era chamado de Laboratório No. 2, e mais tarde foi transformado no Instituto de Energia Atômica). Neste e em alguns outros laboratórios, todos os estudos dos cientistas americanos foram repetidos no menor tempo possível, obtendo-se urânio puro e grafite puro. Em dezembro de 1946, a primeira reação em cadeia foi realizada aqui no reator nuclear experimental de urânio-grafite F1. A potência deste reator mal atingiu 100 watts. No entanto, conseguiu obter dados importantes que serviram de base para o projeto de um grande reator industrial, cujo desenvolvimento já estava em pleno andamento. Não havia experiência na construção de tal reator na URSS. Depois de pensar um pouco, Kurchatov decidiu confiar esse trabalho a NIIkhimmash, liderado por Nikolai Dollezhal. Embora Dollezhal fosse um químico mecânico puro e nunca tivesse estudado física nuclear, seu conhecimento provou ser muito valioso. No entanto, NIIkhimmash também não seria capaz de criar um reator por conta própria. A obra só deu certo depois que vários outros institutos se juntaram a ela. O princípio de operação e o design do reator Dollezhal eram geralmente claros: blocos de grafite com canais para blocos de urânio e hastes de controle - absorvedores de nêutrons foram colocados em uma caixa de metal. A massa total de urânio tinha que atingir o valor necessário calculado pelos físicos, no qual a reação em cadeia sustentada de fissão dos átomos de urânio começou. Como resultado da reação de fissão dos núcleos de urânio, apareceram não apenas dois fragmentos (dois novos núcleos), mas também vários nêutrons. Esses nêutrons da primeira geração serviram para sustentar a reação, que resultou em nêutrons da segunda geração, da terceira e assim por diante. Em média, para cada mil nêutrons que surgiram, apenas alguns nasceram não instantaneamente, no momento da fissão, mas um pouco depois voaram dos fragmentos. A existência desses chamados nêutrons retardados, que são um pequeno detalhe no processo de fissão do urânio, é decisiva para a possibilidade de uma reação em cadeia controlada. Alguns deles são atrasados por uma fração de segundo, outros por segundos ou mais. O número de nêutrons atrasados é apenas 0% do seu número total, no entanto, eles diminuem significativamente (em cerca de 75 vezes) a taxa de crescimento do fluxo de nêutrons e, assim, facilitam a tarefa de regular a potência do reator. É durante esse tempo, manipulando os bastões que absorvem nêutrons, que é possível intervir no curso da reação, desacelerá-la ou acelerá-la. A maioria dos nêutrons nasce simultaneamente com a fissão, e em seu curto tempo de vida (cerca de cem milésimos de segundo) é impossível influenciar o curso da reação de alguma forma, assim como é impossível deter uma explosão atômica que já tenha ocorrido. começou. Com base nessas informações, a equipe de Dollezhal conseguiu lidar rapidamente com a tarefa. Já em 1948, foi construída uma usina de plutônio com vários reatores industriais e, em agosto de 1949, foi testada a primeira bomba atômica soviética. Depois disso, Kurchatov poderia prestar mais atenção ao uso pacífico da energia atômica. Seguindo suas instruções, Feinberg e Dollezhal começaram a desenvolver um projeto para um reator para uma usina nuclear. O primeiro fez cálculos físicos e o segundo - engenharia. O fato de que um reator nuclear pode ser não apenas um produtor de plutônio para armas, mas também uma poderosa usina de energia, ficou claro para seus primeiros criadores. Uma das manifestações externas da reação nuclear em curso, juntamente com a radiação radioativa, é uma liberação significativa de calor. Em uma bomba atômica, esse calor é liberado instantaneamente e serve como um de seus fatores prejudiciais. Em um reator, onde a reação em cadeia está, por assim dizer, em estado latente, a liberação intensa de calor pode continuar por meses e até anos, e alguns quilos de urânio podem liberar tanta energia quanto é liberada durante a combustão de vários milhares. toneladas de combustível convencional. Como os físicos soviéticos já haviam aprendido a controlar uma reação nuclear, o problema de criar um reator de energia foi reduzido a encontrar maneiras de remover o calor dele. A experiência adquirida durante os experimentos de Kurchatov foi muito valiosa, mas não respondeu a muitas perguntas. Nenhum dos reatores construídos naquela época era um reator de energia. Nos reatores industriais, a energia térmica não era apenas desnecessária, mas também prejudicial - precisava ser removida, ou seja, para resfriar os blocos de urânio. O problema de coletar e usar o calor liberado durante uma reação nuclear ainda não foi considerado na URSS ou nos EUA. As questões mais importantes na forma de projetar um reator de energia para usinas nucleares foram: que tipo de reator (de nêutrons rápidos ou lentos) seria mais adequado, qual deveria ser o moderador de nêutrons (grafite ou água pesada), o que poderia servir como refrigerante (água, gás ou metal líquido) qual deve ser sua temperatura e pressão. Além disso, havia muitas outras questões, como materiais, segurança para o pessoal e aumento da eficiência. No final, Feinberg e Dollezhal decidiram pelo que já havia sido testado: eles começaram a desenvolver um reator de nêutrons lento com um moderador de grafite e um refrigerante de água. Boa experiência prática e teórica já foi acumulada em seu uso. Isso predeterminou o sucesso de seu projeto. Em 1950, o conselho técnico do Ministério da Construção de Máquinas Médias escolheu um reator desenvolvido por NIIkhimmash a partir de várias opções propostas. O projeto da usina como um todo (foi decidido construí-la em Obninsk) foi confiado a um dos institutos de pesquisa de Leningrado, liderado por Gutov. A capacidade planejada da primeira usina nuclear, 5000 kW, foi em grande parte escolhida por acaso. Nesse momento, o MAES desativou um turbogerador de 5000 kW totalmente funcional e o transportou para Obninsk, que estava em construção. Sob ele, eles decidiram projetar toda a usina nuclear.
O reator de energia não era tanto um objeto industrial quanto um objeto científico. A construção da usina nuclear foi supervisionada diretamente pelo Laboratório de Física e Energia de Obninsk, fundado em 1947. Nos primeiros anos, não havia forças científicas suficientes nem o equipamento necessário. As condições de vida também estavam longe de serem aceitáveis. A cidade estava apenas sendo construída. As ruas não pavimentadas eram cobertas na primavera e no outono com lama intransitável, na qual os carros ficavam irremediavelmente presos. A maioria dos habitantes se amontoava em quartéis de madeira e desconfortáveis casas "finlandesas". O laboratório estava localizado em prédios completamente aleatórios e inadequados para fins científicos (um era uma ex-colônia infantil, o outro era a mansão dos Morozovs). A eletricidade foi gerada por uma velha turbina a vapor de 500 kW. Quando ela parou, toda a vila e o canteiro de obras mergulharam na escuridão. Os cálculos mais complexos foram feitos manualmente. No entanto, os cientistas (muitos dos quais haviam retornado recentemente do front) enfrentaram dificuldades. A ideia de que eles estavam projetando e construindo a primeira usina nuclear do mundo excitou mentes e despertou grande entusiasmo. Quanto aos problemas puramente científicos, eles também eram muito difíceis. A diferença fundamental entre um reator de potência e um reator industrial era que no segundo tipo de reator, a água servia apenas como refrigerante e não desempenhava outras funções. Além disso, o excesso de calor removido pela água era tal que sua temperatura não chegava ao ponto de ebulição. Aqui, a água deveria atuar como portadora de energia, ou seja, servir para formar vapor capaz de realizar trabalho útil. Então, era necessário aumentar a temperatura e a pressão o máximo possível. Para o funcionamento eficiente do turbogerador, era necessário obter no mínimo vapor com temperatura acima de 200 graus e pressão de 12 atm (que, aliás, era muito pequeno para a época, mas decidimos nos limitar a esses parâmetros por enquanto).
Durante a construção, tomou-se como base o projeto de um reator industrial. Apenas em vez de hastes de urânio, foram fornecidos elementos de remoção de calor de urânio - elementos de combustível. A diferença entre eles era que a água fluía em torno da haste do lado de fora, enquanto a haste de combustível era um tubo de parede dupla. O urânio enriquecido estava localizado entre as paredes e a água fluía pelo canal interno. Os cálculos mostraram que, com esse design, é muito mais fácil aquecê-lo até a temperatura desejada. De acordo com os desenhos de rascunho, a seguinte aparência do reator apareceu. Na parte central do corpo cilíndrico com diâmetro superior a 1,5 m, há uma zona ativa - uma alvenaria de grafite com cerca de 170 cm de altura, penetrada por canais. Alguns deles foram destinados a elementos combustíveis, outros a hastes que absorvem nêutrons e mantêm automaticamente o equilíbrio em um determinado nível. A água fria (que na verdade não é fria - sua temperatura é de cerca de 190 graus) deve fluir para a parte inferior do conjunto da haste de combustível. Depois de passar pelos elementos de remoção de calor e ficar 80 graus mais quente, caiu na parte superior do conjunto e de lá no coletor de água quente. Para não ferver e se transformar em vapor (isso poderia causar um funcionamento anormal do reator), ele deveria estar sob pressão de 100 atm. Do coletor, a água radioativa quente fluía através de tubos para um trocador de calor-gerador de vapor, após o qual, depois de passar por uma bomba circular, retornava ao coletor de água fria. Essa corrente foi chamada de primeiro circuito. O refrigerante (água) circulava nele em um círculo vicioso, sem penetrar no exterior. No segundo circuito, a água atuou como fluido de trabalho. Aqui ela não era radioativa e segura para os outros. Tendo aquecido até 190 graus no trocador de calor e transformado em vapor com uma pressão de 12 atm, foi fornecido à turbina, onde fez seu trabalho útil. O vapor que sai da turbina deveria ser condensado e enviado de volta ao gerador de vapor. A eficiência de toda a usina foi de 17%. Esse esquema aparentemente fácil de descrever era, de fato, tecnicamente muito complexo. A teoria do reator não existia naquela época - nasceu junto com ela. As barras de combustível eram um elemento particularmente complexo, cujo design dependia em grande parte da eficiência de toda a instalação. Os processos que aconteciam neles eram muito complexos de todos os pontos de vista: era necessário decidir como e como carregar urânio neles, em que medida deveria ser enriquecido, como conseguir a circulação de água sob alta pressão e como para garantir a troca de calor. De várias opções, os elementos combustíveis desenvolvidos por Vladimir Malykh foram escolhidos - com pó de urânio-molibdênio (o urânio foi enriquecido em até 5%), prensado com magnésio finamente dividido - este metal deveria criar um contato térmico efetivo da liga de urânio-molibdênio com a parede do elemento combustível.
Não só o enchimento do elemento combustível, mas também o seu revestimento criaram um problema. O material dos elementos de remoção de calor tinha que ter resistência, resistência à corrosão e não deveria alterar suas propriedades sob exposição prolongada à radiação. O melhor material do ponto de vista químico - aço inoxidável - não foi apreciado pelos físicos, pois absorvia fortemente nêutrons. No final, Dollezhal, no entanto, optou pelo aço. Para compensar suas propriedades absorventes, decidiu-se aumentar a porcentagem de urânio enriquecido (muito mais tarde, uma liga especial de zircônio foi desenvolvida para varetas de combustível que atendessem a todas as condições necessárias).
A fabricação de varetas de combustível e a soldagem de aço inoxidável mostraram-se extremamente difíceis. Cada elemento combustível tinha várias costuras e havia 128. Enquanto isso, os requisitos para o aperto das costuras eram os mais altos - sua ruptura e a entrada de água quente sob alta pressão no núcleo do reator ameaçavam o desastre. Um dos muitos institutos que trabalharam nesta questão foi encarregado de desenvolver a tecnologia de soldagem de aço inoxidável. No final, o trabalho foi concluído com sucesso. O reator foi lançado em maio de 1954 e, em junho do mesmo ano, a usina nuclear deu sua primeira corrente. Na primeira usina nuclear, o sistema de controle dos processos que ocorrem no reator foi cuidadosamente pensado. Foram criados dispositivos para controle remoto automático e manual das hastes de controle, para desligamento de emergência do reator e dispositivos para substituição das hastes de combustível. Sabe-se que uma reação nuclear começa apenas quando uma certa massa crítica do material físsil é atingida. No entanto, durante a operação do reator, o combustível nuclear queima. Portanto, é necessário calcular uma quantidade significativa de combustível para garantir o funcionamento do reator por um tempo mais ou menos significativo. A influência dessa reserva supercrítica no curso da reação foi compensada por hastes especiais que absorvem o excesso de nêutrons. Se fosse necessário aumentar a potência do reator (já que o combustível queimava), as hastes de controle eram um pouco avançadas do núcleo do reator e instaladas em uma posição em que o reator estava à beira de uma reação em cadeia e fissão ativa do urânio núcleos estava acontecendo. Finalmente, foram fornecidas hastes de proteção de emergência, cuja descida no núcleo extinguiu instantaneamente a reação nuclear. Autor: Ryzhov K.V.
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