В сюжетах фантастов и футурологов середины прошлого века весьма перспективной была тема, вкратце сформулированная полузабытым ныне лозунгом «Мирный атом в каждый дом».
Мал золотник, да дорог.
Русская пословица
1
В сюжетах фантастов и футурологов середины прошлого века весьма перспективной была тема, вкратце сформулированная полузабытым ныне лозунгом «Мирный атом в каждый дом». Успехи атомной энергетики тогда были впечатляющими, события на Три Майл Айленд, в Чернобыле и Фукусиме были далеко в будущем, а экологические движения не приобрели ещё столь оголтелый характер.
Поэтому в рассказах и романах о будущем можно было встретить автомобили, самолёты и поезда на атомном ходу, а компактный атомный реактор в подвале своего дома тоже не смущал читателя. Темпы технологического прогресса в ту эпоху были таковы, что казалось: вот ещё немного – и все эти проекты воплотятся в реальность. Несмотря на то, что противостояние двух колоссов – СССР и США – вышло на новый, «ядерный» уровень, мирное развитие атомной энергетики тоже не отставало от военного. Здесь наши учёные опередили своих заокеанских коллег.
Академик Пётр Капица, президент Академии наук Сергей Вавилов и «отец советской атомной бомбы» Игорь Курчатов в 1949 году убедили правительство СССР принять решение о строительстве первой гражданской атомной электростанции. И через пять лет Обнинская АЭС была официально включена в сеть Мосэнерго. Американцы же ответили атомной подводной лодкой «Наутилус», которая в 1955 году впервые вышла в море. Советский Союз продолжал развитие мирной энергетики, и в 1953 году Совет министров принял решение о строительстве атомного ледокола. Судно было заложено в 1956 году на ленинградском судостроительном заводе, через год спущено на воду, после чего начался монтаж ядерной энергетической установки, разработанной коллективом нижегородского Опытного конструкторского бюро машиностроения (ОКБМ) под руководством Игоря Африкантова. В 1959 году атомный ледокол «Ленин» был официально передан Министерству морского флота. Потом уже американцы и другие страны подключились к гонке за мирный атом, но не будем забывать, что здесь мы были первыми.
После строительства АЭС в разных странах интерес массового потребителя к атомной энергетике возрос, но ожидание бытовых устройств, обещанных фантастами, затянулось. Хотя попытки, разумеется, предпринимались.
Самая известная принадлежала компании Ford, которая в 1957 году обнародовала концепт атомного автомобиля Ford Nucleon. Источником энергии для такого автомобиля должен был стать компактный ядерный реактор. Модель выглядела весьма впечатляюще, но, судя по всему, американцы не собирались реально вкладываться в этот проект. Тем не менее модель Ford Nucleon выставляли на разных площадках, а в 1958 году в одном из автосалонов атомобиль увидел второй секретарь советского посольства Владимир Синявин. О чём и сообщил в своём отчёте. Поскольку всё, что имело отношение к атомным делам, интересовало военные круги, отчёт Синявина перекинули в Министерство среднего машиностроения, которое, как известно, тогда и вело все атомные проекты. Проектом заинтересовался Ефим Славский, один из основателей и руководителей советской атомной промышленности, который был в то время заместителем министра. Но учёные, которые консультировали его по этому вопросу, чётко доказали невозможность создания такой машины. История атомобиля, однако, имела продолжение.
Во время какого-то совещания Славский, как анекдот, рассказал Никите Хрущёву об этом проекте. Но руководитель государства воспринял это как вызов и предложил создать такой автомобиль на атомном ходу, поскольку с ледоколом же получилось! На объяснение, что учёные не видят такой возможности, было предложено найти других учёных. Короче говоря, для разработки компактной ядерной силовой установки создали Автомобильное конструкторское бюро (АКБ) под руководством Александра Камнева.
Сразу же выяснилось, что просто уменьшить размеры реактора ледокола не получится, а создавать автомобиль размером с судно не имело смысла. И тогда Камнев предложил отойти от традиционной схемы реактора, в который загружается большое количество урана, к так называемой «пушечной схеме» атомной бомбы. В отличие от плутониевой, цепная реакция в ней инициируется имплозивным, взрывным методом, когда шар со всех сторон сдавливается взрывной волной, в пушечной схеме два куска урана как бы выстреливаются друг в друга, создавая критическую массу. Но автомобиль, даже атомный, должен двигаться, а не взрываться, поэтому в 1961 году было найдено остроумное решение.
Автомобильный двигатель был похож на традиционный четырёхцилиндровый агрегат, только на торцах поршней и цилиндров, в которых закачан гелий, были расположены шайбы из обогащённого изотопом 235 урана. Там же в торце находилась графитовая шайба для замедления нейтронов. Когда урановые шайбы сближались, начиналось бурное размножение нейтронов, температура повышалась, гелий разогревался и толкал поршень вверх. Регулировку оборотов двигателя и его остановку производили стержни-поглотители, установленные на месте клапанов. Для аварийной остановки предполагался впрыск борной кислоты в цилиндры. Сам двигатель размещался в герметичной оболочке. А прагматичные американцы так и не продвинулись дальше макета Ford Nucleon.
Автомобиль всё же построили, и в 1965 году его испытали на полигоне под Северском. Один из разработчиков, который смог прокатиться на этом изделии, рассказывал, что машина была очень тяжёлой, но мощность двигателя компенсировала большую массу, разгонялась она хорошо, но тормозила плохо. Более того, жара от двигателя чувствовалась даже при прохладной погоде. Хотя конструкция оказалась весьма неплохой, а ресурс пробега составил более 60 000 километров, выяснилось, что после такого пробега надо было менять весь силовой агрегат, что в обычном гараже вряд ли осуществимо. Начали работу над другим вариантом двигателя на газообразном гексафториде урана вместо твёрдотельных шайб. Это позволяло не менять весь двигатель, а просто закачивать новую порцию гексафторида. У такого двигателя пробег чуть уменьшился, до 40 000 километров, но открывались интересные перспективы. Которые тут же закрылись – после смещения Хрущёва началась эпоха Леонида Брежнева, которую одни именуют «застоем», другие же – временами спокойствия и благоденствия. Силы и ресурсы были направлены на строительство мирных АЭС, а также атомных подводных лодок и кораблей с ядерной силовой установкой.
2
В те же времена ведущие мировые державы пытались создать атомные самолёты. Тут запевалами стали американцы, которые в 1946 году приняли решение о создании воздушной машины с атомным двигателем. Хотя в авиастроении тогда США были, как говорится, «впереди планеты всей», лишь в 1955 году им удалось поднять самолёт с ядерным реактором… в качестве груза! То есть установка не вырабатывала энергию для моторов, а просто обкатывалась в воздухе. Известно, что между 1946 и 1961 годами ВВС и Комиссия по атомной энергии США потратили более 7 миллиардов долларов на разработку самолёта с атомной силовой установкой. Такой самолёт так и не поднялся в воздух, а ВВС переделали бомбардировщик B‑36 в экспериментальный ядерный самолёт для несения работающего реактора с воздушным охлаждением, чтобы оценить возможные эксплуатационные проблемы. B‑36 совершил 47 полётов над Техасом и Нью-Мексико между июлем 1955‑го и мартом 1957‑го. Рядом с ним летел самолёт со взводом морских пехотинцев, которые в случае аварии самолёта должны были десантироваться и взять обломки под охрану. В 1961‑м президент Джон Кеннеди закрыл эту программу, поскольку межконтинентальные баллистические ракеты и ракеты на атомных подводных лодках стратегически более эффективны и обойдутся дешевле.
Наша разведка быстро узнала об этих испытаниях, и советским конструкторским бюро порекомендовали догнать американцев.
Специалисты конструкторского бюро Мясищева предложили оснастить уже имеющийся самолёт М‑50 ядерным реактором. Вообще-то М‑50 был первым в СССР сверхзвуковым стратегическим бомбардировщиком. Но, при всех его достоинствах, был и серьёзный недостаток: машина была очень прожорлива и лишь после двух дозаправок в воздухе 500 тоннами керосина могла долететь до Вашингтона и вернуться обратно. Вариант М‑60 с атомным двигателем должен был решить эту проблему. Одновременно породив другие…
Ядерная силовая установка открытого типа, сконструированная в КБ Архипа Люльки для М‑60, была проста и недорога, но, увы, воздух, проходя сквозь неё, становился весьма радиоактивен. Поэтому четыре атомных турбореактивных двигателя предполагалось разместить в хвостовой части фюзеляжа, а кабина пилотов представляла собой глухую свинцовую капсулу весом 60 тонн. Наблюдать за полётом надо было через радиолокационные и телевизионные экраны. В общем, дальше чертежей проект не был реализован. А вот вариант М‑30 с ядерной установкой закрытого типа имел больше шансов. Хотя она была сложнее, проблемы с защитой от радиации уходили на второй план. Машина оснащалась шестью турбореактивными двигателями, питавшимися от реактора, но при этом в особых случаях силовая установка могла работать и на керосине. Полезная нагрузка в 25 тонн для немаленьких в те времена ядерных боезарядов тоже имела значение. В 1966 году планировался первый полёт М‑30, но и он остался только в чертежах. Хрущёва убедили, что ракеты более перспективны, чем самолёты, и многие программы были свёрнуты.
Надо сказать, что над проектами атомолёта трудились не только в КБ Мясищева. Одновременно с ними работы велись и в конструкторском бюро Туполева. Причём стартовые условия здесь было вроде бы лучше. Дело в том, что у Туполева не ставилась задача создания сверхзвукового бомбардировщика, а с дозвуковым у них было всё в порядке, поскольку к этому времени уже летал готовый самолёт, который надо было перевести на атомную тягу. Речь идёт о заслуженном «старичке» Ту‑95, который и по сей день продолжает свою работу в рамках СВО.
После того как в 1956 году Совет министров СССР поручил Туполеву начать проектирование летающей атомной лаборатории на базе серийного Ту‑95, начались дискуссии относительно габаритов реактора. В отличие от автомобильного двигателя Камнева, туполевцы всё же пошли по пути масштабирования классического атомного реактора того же типа, что был установлен на атомоходе «Ленин». Самолёт хоть и имел размеры гораздо больше автомобиля, но реактор ледокола, размером с дом, в него бы не влез. Началась битва за метры и килограммы. В конечном итоге, благодаря талантливым инженерам и конструкторам, была создана относительно компактная установка, которая могла поместиться в средней части фюзеляжа.
Для испытаний на одном из аэродромов под Семипалатинском построили стенд с реактором, который выдал необходимую мощность. Но возникли проблемы с радиацией, от которой попытались защититься покрытием из свинцовых плит толщиной пять сантиметров и 20‑сантиметрового слоя из полиэтилена и церезина, мылоподобного вещества. Первый полёт состоялся в мае 1961 года. Силовая установка не питала моторы, реактор лишь проверяли в разных режимах. За четыре месяца самолёт совершил 34 испытательных полёта. Обнаружилось, что за два полёта летчики получали облучение 5 бэр, тогда как для работников АЭС норма облучения – до 2 бэр за год! Однако в будущем предполагалось улучшить защиту, а также разработать систему аварийного сброса реактора на парашютах. Но, скажем так, смена парадигмы с авиационной на ракетную закрыла путь в небо и этому проекту. Туполев, правда, планировал где-то в 70‑х вернуться к атомолётам, в его набросках сохранились чертежи сверхзвукового Ту‑120, но к этому времени американцы тоже свернули аналогичные проекты.
В КБ Антонова тоже велись работы. В 1965 году было принято решение создать сверхдальний самолёт противолодочной обороны с ядерной силовой установкой на базе Ан‑22 «Антей». Академик Анатолий Александров и его коллеги по Курчатовскому институту создали малогабаритный реактор, на взлёте и посадке использовалось обычное топливо, а в полёте работу обеспечивала установка. Продолжительность полёта – 50 часов, а дальность – 27 500 километров. Программа получила название «Аист», и Ан‑22 был выбран не случайно, поскольку размеры машины гарантировали размещение на борту не только реактора, но и большого арсенала средств поиска и поражения подводных лодок: сбрасываемых радиогидроакустических буёв, аппаратуры приёма их сигналов, подаваемых при обнаружении АПЛ, а также противолодочных ракет, торпед и глубинных бомб, в том числе и ядерных. В 1972 году в районе Семипалатинска Ан‑22 с включённым реактором (правда, без подключения к двигателям) совершил 23 полёта. В том же году закрыли и этот проект.
3
Разумеется, не стал исключением и другой вид транспорта – железнодорожный. Идеи перевести его на атомную тягу, в отличие от авиационной тематики, не были засекречены и широко обсуждались в научно-популярных изданиях. Так, например, в 1956 году в газете «Гудок», печатном органе Министерства путей сообщения СССР, писали: «В условиях Севера, Дальнего Востока и пустынь Центральной Азии не всегда целесообразно электрифицировать вновь строящиеся железнодорожные линии. В этих условиях лучше применять атомные локомотивы, которые могли бы работать автономно, без подвоза больших количеств топлива или других материалов… Конечно, атомный локомотив будет значительно тяжелее паровоза или тепловоза той же мощности. Но если такой локомотив направить на отдалённую магистраль, например, в Арктику, то он будет работать там с перерывами в течение целого зимнего сезона без дополнительного снабжения. Его очень легко превратить в подвижную электростанцию. Кроме того, он сможет снабжать энергией бани, прачечные, парники для выращивания овощей».
Реактор такого локомотива надо изолировать со всех сторон толстым слоем свинца или бетона, иначе излучению подвергнется всё, что находится по сторонам от колеи, под мостами и на проходящих над путями эстакадах. Общий вес такой защиты составит сотни тонн, поэтому для такого поезда нужны были особые пути, колея которых должна быть расширена до шести метров.
Но ядерные технологии не стоят на месте, разработки компактных и более безопасных типов реакторов ведутся во многих странах. Так, например, в 90‑е годы южноафриканская государственная компания Escom собиралась построить так называемый модульный реактор с шариковой засыпкой (PBMR). Проект был заморожен, но в 2020 году прошла информация о том, что компания надеется возобновить работы по проекту. Реактор PBMR в отличие от традиционных не имеет стержней с тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ). Вместо них используются графитовые шарики, включающие в себя микроскопические вкрапления оксида урана в капсулах из карбида кремния. Через шарики продувается отводящий тепло инертный газ, который может непосредственно приводить в движение турбину низкого давления или передавать тепло другому теплоносителю через теплообменник. Такая система обладает повышенной безопасностью, поскольку, если в силу каких-то причин теплоноситель перестаёт поступать, реакция затухает сама собой. Аналогичный реактор пытаются разработать бразильские учёные Федерального университета Рио-Гранде-ду-Сул. Там также используется топливо в виде шариков с вкраплениями оксида урана, но тепло отводится водой. Такого типа реакторы вполне могут быть использованы для модернизации транспортных средств.
Впрочем, мобильные АЭС создаются не на пустом месте, и у них есть своя история. В конце 50‑х годов был воплощён в «железо» уникальный проект ТЭС‑3 – первый в мире реактор на гусеничном ходу для отдалённых районов Советского Союза. Реактор выдавал до 1500 кВт, и состоял из четырёх шасси танка Т‑10: на первом монтировался водо-водяной реактор, на втором – парогенератор, на третьем – турбогенератор и на четвёртом – модуль управления. Общий вес – 310 тонн, автономность – до 250 суток. Установка без поломок проработала с 1961 по 1965 год. В 1965 году началась разработка более компактного реактора «Памир‑630 Д», к 1985 году были собраны первые образцы, которые, в отличие от гусеничного варианта, могли перемещаться по обычным дорогам. Но чернобыльская катастрофа и не менее катастрофическая «перестройка» погубили и этот проект.
4
В настоящее время наиболее перспективным направлением в развитии ядерной энергетики является создание атомных станций малой мощности (АСММ). В сентябре 2022 года вышло Постановление Правительства РФ «О внесении изменений в часть 1 государственной программы РФ “Развитие атомного энергопромышленного комплекса”». Речь идёт о том, что в рамках федерального проекта «Новая атомная энергетика, в том числе малые атомные реакторы для удалённых территорий» будут осуществлены мероприятия по сооружению пилотной АССМ на базе реакторных установок «РИТМ‑200 Н».
Напомним, что РИТМ‑200 – это российский водо-водяной ядерный реактор, разработанный в ОКБМ имени И. И. Африкантова для установки на атомных ледоколах, перспективных плавучих атомных электростанциях производства и атомных станциях малой мощности. В июне 2016 года первая энергетическая установка с двумя реакторами для первого атомного ледокола проекта 22220 типа «Арктика» была доставлена на строительную площадку ледокола. В наши дни кроме «Арктики» на Северном морском пути работает ледокол той же серии «Сибирь», заканчивается строительство «Чукотки», и начато строительство ледоколов «Урал» и «Якутия». ОКБМ Африкантов создаёт модификации этой реакторной установки и значительно более мощный агрегат «РИТМ‑400» для линейки ледоколов «Лидер», которые обеспечат круглогодичную проводку судов сквозь северные льды.
Так что проект АСММ находится в надёжных руках. А это очень важно, поскольку предполагается размещение такой станции в посёлке Усть-Куйга Усть-Янского района. В настоящее время ОКБМ Африкантов для удалённых территорий разрабатывает модульные модификации «РИТМ‑200» под плавучие энергетические блоки (ОПЭБ), способные вырабатывать 100 МВт электричества и 350 Гкал/ч тепловой энергии. Мощности такой станции достаточно, чтобы обеспечить электричеством и теплом промышленные предприятия и населённые пункты, а также обеспечить потребителей опреснённой морской водой. Такие установки будут работать в течение 60 лет и не окажут никакого влияния на биосферу.
Отметим, что работы по этому профилю будут вестись в условиях жёсткой конкуренции – сейчас на мировых рынках озвучены около ста проектов АСММ, причём около десяти из них находятся на стадии разрешения на строительство. Так, например, американская NuScale собирается строить АЭС с 12 модулями реакторов в штате Айдахо. Собираются строить АСММ Великобритания, Канада, Франция, Южная Корея и т. д.
Привлекательность модульных АСММ очевидна – модули собираются на заводах готовыми блоками и большими сериями, они дешевле и «транспортабельнее», сама модульность предполагает гибкое маневрирование мощностями в зависимости от конкретных региональных потребностей и т. п.
На первый взгляд проект РИТМ‑200 по сравнению с западными проектами выглядит несколько «традиционным», что ли, но, с другой стороны, его технологическая надёжность и эксплуатационная отработанность наряду с серийным строительством является серьёзным конкурентным преимуществом. Вообще-то «Росатом» ведёт разработку и более передовых вариантов малых реакторов в рамках проектов «Шельф», «Витязь», АТГОР, СВБР‑100, АБВ‑6, и сооружаемый в рамках проекта «Прорыв» революционный БРЕСТ‑300.
***
Наша атомная промышленность со времён первого мирного реактора до современных АСММ проделала длинный и трудный путь. Не исключено, что общемировая ситуация несколько скорректирует рыночные модели экономики, и в первую очередь инвестиции в атомную энергетику пойдут на развитие собственных территорий. Тогда есть большая вероятность, что молодое поколение наших инженеров и конструкторов будет воплощать в жизнь проекты реакторов для большой орбитальной станции, для лунной или марсианской станции…
Марина ГЕВОРКЯН
Источник: НиР № 6, 2023