Безопасный атом: как устроена атомная энергетика России

80-летие атомной промышленности — отличный повод осмыслить вклад отрасли в развитие технологий. Госкорпорация «Росатом» обеспечивает около 20% электроэнергии России, и примечательно, что каждую пятую лампочку страны «питает» энергия атомных станций, работающих десятилетиями. Цикл эксплуатации современных АЭС с возможностью продления достигает 100 лет, то есть четыре поколения семьи смогут использовать энергию такой станции.

Эксперты проанализировали ключевые технологические решения и инновации, обеспечивающие безопасную и бесперебойную работу станций, а также спрогнозировали будущее отрасли.

Первые в мире

Специальный комитет по использованию атомной энергии урана был создан 20 августа 1945 года по распоряжению Государственного комитета обороны СССР. В состав технического совета комитета вошел выдающийся организатор и руководитель в области атомной науки и техники, доктор физико-математических наук, академик Игорь Курчатов. 

Уже через четыре года в ответ на угрозы США, подвергших атомной бомбардировке японские города Хиросима и Нагасаки, у страны появился собственный ядерный щит. Под руководством главного конструктора академика Юлия Харитона советские атомщики разработали первую советскую атомную бомбу «Реактивный двигатель специальный» (РДС-1). Эта бомба, предназначенная для подвески на самолете Ту-4, имела диаметр 1,5 м, длину 3,3 м и массу — 4,7 тонны. Многослойная конструкция заряда обеспечивала переход плутония (активного вещества) в надкритическое состояние за счет его сжатия под воздействием сходящейся сферической детонационной волны во взрывчатом веществе. Внутренний заряд состоял из двух полусферических оснований, изготовленных из отечественного сплава тротила с гексогеном. Испытания, проведенные 29 августа 1949 года в районе города Семипалатинска Казахской ССР, прошли успешно, продемонстрировав энерговыделение объекта в 22 килотонны тротилового эквивалента.

Первую в мире атомную электростанцию запустили 26 июня 1954 года в Обнинске, и именно эта дата считается днем рождения «мирного атома». Научным руководителем проекта был назначен академик Игорь Курчатов, главным конструктором стал ученый-энергетик Николай Доллежаль. В то время расчеты для реактора вели на счетах и арифмометрах, что порой занимало месяцы, однако это не помешало создать первый в мире уран-графитовый ядерный реактор «Атом Мирный». Его тепловая мощность — 30 МВт, а электрическая — 5 МВт, этого было достаточно для снабжения небольшого города. В качестве ключевого компонента активной зоны реактора использовали урановые тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ). Они предназначены для размещения ядерного топлива и выделения тепловой энергии в результате управляемой цепной реакции деления. Синхронная работа генератора Обнинской АЭС с сетью «Мосэнерго» стала технологическим прорывом, впервые в мире энергию контролируемой цепной ядерной реакции преобразовали в промышленное электроснабжение.

Опыт советских специалистов в области атомной энергетики стремились перенять ученые со всего мира, познакомиться с работой Обнинской АЭС приезжали и многие политики. Открытия советских исследователей легли в основу разработки аналогичных энергетических реакторов в Европе и США.

В середине XX века ученых из разных стран заинтересовала перспектива получения энергии посредством термоядерного синтеза. Но для реализации управляемой термоядерной реакции необходимо было создать экстремально высокие температуры порядка 100–150 миллионов °C, при которых изотопы водорода будут способны эффективно взаимодействовать. Однако достижение и поддержание таких температур представляет серьезную техническую проблему, поскольку ни один известный материал не способен выдержать столь экстремальные условия.

«Советские физики Игорь Тамм и Андрей Сахаров знали, что плазма отталкивается от магнитного поля, и при проведении термоядерной реакции внутри такого поля ее можно „подвесить“ в пространстве и не позволить ей выйти за пределы магнитного контура. То есть плазму, разогретую до сотен миллионов градусов Цельсия, можно удерживать. Исходя из этого, наши ученые разработали концепцию создания токамака — тороидальной магнитной камеры, и в 1954 году в СССР был запущен первый в мире токамак с магнитными катушками», — объяснила Елена Дергунова, ведущий научный сотрудник Высокотехнологического научно-исследовательского института неорганических материалов им. академика А. А. Бочвара (АО «ВНИИНМ»). Интересно, что термин «токамак», введенный советскими учеными, получил международное признание и вошел во все языки мира без перевода.

Не менее важным этапом технологического прогресса СССР стало развитие судостроения и освоение Арктики. 5 декабря 1957 года на воду был спущен первый в мире атомный ледокол «Ленин». Сегодня это легендарное судно, выведенное из эксплуатации, преобразовано в музей и является одной из главных достопримечательностей Мурманска. В то же время ГК «Росатом» продолжает традиции, создавая ледоколы нового поколения, оснащенные современными технологиями для обеспечения круглогодичной навигации и развития Северного морского пути — стратегически важного транспортного коридора, играющего значимую роль в экономическом и геополитическом развитии страны.

В ноябре 1970 года СССР подтвердил свое лидерство в освоении космоса, создав первый в мире самоходный аппарат — «Луноход-1». Работу вели на базе конструкторского бюро химкинского Машиностроительного завода им. С. А. Лавочкина под руководством Григория Бабакина. А самоходное шасси для лунохода разработали во Всероссийском научно-исследовательском институте транспортного машиностроения, проект возглавил Александр Кемурджиан. Источник энергии на основе изотопов, обеспечивавший работу аппарата при экстремальных температурах (от +150 °С днем до −170 °С ночью), был создан предприятиями атомной отрасли. «Луноход-1» выполнил десятки тысяч снимков лунной поверхности и провел химический анализ грунта, а примененные в нем атомные батареи получили широкое распространение в космических аппаратах.

Атомная промышленность сегодня

Атомные электростанции эксперты рассматривают как «зеленую» энергетику, то есть производящую энергию из возобновляемых источников и не наносящую вреда окружающей среде. Такую энергетику отличает высокая производительность, ко всему, она не сопровождается выбросами углекислого газа. При отсутствии АЭС каждый год в атмосферу дополнительно могло поступать около 2 миллиардов тонн CO₂. Этот объем сопоставим с годовым поглощением углерода всеми таежными лесами Земли.

Крупнейшая генерирующая компания России – концерн «Росэнергоатом», входящий в Электроэнергетический дивизион Госкорпорации «Росатом». На 11 АЭС концерна функционирует 35 энергоблоков, включая плавучий энергоблок ПАТЭС с в составе двух реакторных установок, суммарной установленной мощностью свыше 28,5 ГВт.  «Атомные города» находятся в различных регионах страны: Балаково (Саратовская область), Билибино и Певек (Чукотский автономный округ), Волгодонск (Ростовская область), Десногорск (Смоленская область), Заречный (Свердловская область), Курчатов (Курская область), Нововоронеж (Воронежская область), Удомля (Тверская область), Полярные Зори (Мурманская область) и Сосновый Бор (Ленинградская область).

На атомных станциях используют различные типы ядерных реакторов. В частности, 22 энергоблока действуют с водо-водяными энергетическими реакторами (ВВЭР), среди которых 4 энергоблока оснащены реакторами ВВЭР-1200, 13 — ВВЭР-1000 и 5 — ВВЭР-440 различных модификаций. Кроме того, функционируют 10 энергоблоков с реакторами большой мощности канальными (РБМК): семь из них оборудованы реакторами типа РБМК-1000, а три — энергетическими гетерогенными петлевыми реакторами с шестью петлями циркуляции теплоносителя (ЭГП-6), два блока с реакторами на быстрых нейтронах по 600 и 800 МВт, один плавучий блок с реакторыми установками КЛТ-40С электрической мощностью 35 МВт.

Особое место в развитии ядерной энергетики занимают два энергоблока (№ 3 и № 4) Белоярской АЭС в Свердловской области, оснащенные реакторами на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением — БН-600 и БН-800. Последний был введен в эксплуатацию в 2015 году, разработкой самого мощного в мире реактора занимались обнинский «Физико-энергетический институт им. А. И. Лейпунского», нижегородское «Опытное конструкторское бюро машиностроения имени И. И. Африкантова», «Санкт-Петербургский „Атомэнергопроект“ и другие организации. Реактор функционирует на смешанном уран-плутониевом топливе, что обеспечивает эффективное использование ядерного топлива и способствует расширению возможностей замкнутого ядерного топливного цикла. Ввод в эксплуатацию такого типа реакторов на перспективу решил проблему истощения запасов урана-235, который используют реакторы на тепловых нейтронах (ВВЭР). Данного изотопа — всего 0,7% от общей массы природного урана (U), тогда как оставшиеся 99,3% приходятся на уран-238, непригодный для использования в тепловых реакторах, так как он почти не подвергается делению при взаимодействии с тепловыми нейтронами. В месторождениях запасы урана составляют около 10-14 млн тонн, из которых примерно 4 млн тонн уже израсходовали.

«Существует ядерный процесс, который позволяет использовать для производства энергии уран-238: при захвате нейтрона уран-238 превращается в плутоний-239, который является таким же делящимся материалом, как и уран-235. При облучении плутоний-239 не только делится, но и захватывает нейтроны, в связи с чем накапливаются его другие изотопы: плутоний-240, -241, -242, такое превращение наиболее эффективно происходит в реакторе на быстрых нейтронах. При этом возможна наработка плутония в количестве, превышающем потребности самого реактора, поэтому реакторы такого типа называют „размножителями“, — сообщает „Вестник Атомпрома“.

Исходя из этого, можно говорить не только о производстве топлива для быстрых реакторов, но и о его постепенном накоплении. Современные атомные станции нового поколения способны обеспечивать мощность одного энергоблока до 1200 МВт, что достаточно для электроснабжения, например, всей Кировской области. В июле текущего года генеральный директор «Росатома» объявил о начале подготовительных работ по строительству энергоблока № 5 на Белоярской АЭС. Это первый серийный блок с реактором IV поколения БН-1200М.

«С запуском работ по энергоблоку № 5 Белоярская АЭС укрепляет статус лидера в развитии технологии быстрых реакторов. Это направление является неотъемлемой частью нашего передового проекта по созданию двухкомпонентной атомной энергетики. Реализация проекта позволит выполнить поручение Президента РФ — довести долю атомной генерации в энергобалансе страны до 25% к 2045 году — и обеспечить дальнейшее развитие страны чистой энергией. Кроме того, продвижение вперед в области быстрых реакторов позволит нам укрепить лидерство российских ядерных технологий в мире», — резюмировал Алексей Лихачев, генеральный директор ГК «Росатом».

Современные технологии позволили значительно повысить безопасность ядерных реакторов. Примером тому служат системы удержания и охлаждения расплавленного топлива внутри корпуса реактора, система пассивного останова на основе гидравлически взвешенных стержней. К тому же оборудование и системы с радиоактивным натрием интегрированы в бак реактора, где установлены и автономные теплообменники системы аварийного отвода тепла с естественной циркуляцией по контурам, что уменьшает вероятность тяжелого повреждения активной зоны. Безопасность персонала АЭС при работе со щелочными металлами обеспечивают специально разработанные защитные костюмы.

«Принятые технические решения, в том числе использование пассивных систем безопасности и свойств самозащищенности, присущих натриевому теплоносителю, обеспечивают такой уровень безопасности, который исключает необходимость эвакуации населения при любых технически возможных авариях», — рассказал Сергей Шепелев, главный конструктор реакторных установок БН АО «ОКБМ Африкантов».

Атомные станции в России обеспечивают около 20% общей выработки электроэнергии. При этом «Росатом» ведёт работу на всех континентах, за исключением Антарктиды, реализуя проекты более чем в 60 странах мира. В зарубежном портфеле корпорации насчитывается 33 энергоблока большой мощности в 10 странах. К примеру, на побережье Средиземного моря «Росатом» возводит АЭС «Аккую» в Турции и «Эль-Дабаа» в Египте, каждая из которых включает по четыре энергоблока с реакторами ВВЭР-1200 общей мощностью 4800 МВт. Ко всему прочему, реализуется первый в мире экспортный проект строительства атомных станций малой мощности — шесть блоков в Узбекистане.

Плавучая энергия

В составе энергетической инфраструктуры России есть и единственный в мире плавучий энергоблок (ПЭБ) «Академик Ломоносов», оснащенный двумя реакторными установками типа КЛТ-40С электрической мощностью 35 МВт каждая. Плавучая атомная теплоэлектростанция (ПАТЭС), расположенная в городе Певеке Чукотского автономного округа, в 2025 году отмечает 5-летие со дня ввода в промышленную эксплуатацию.

Строительство объекта осуществляли северодвинское ПО «Северное машиностроительное предприятие» и санкт-петербургский «Балтийский завод — Судостроение». ПАТЭС обеспечивает круглогодичное и бесперебойное тепло- и электроснабжение Чаун-Билибинского энергоузла, включающего запад Чукотки и поселок Черский в Якутии. Эти территории не связаны с Единой энергосистемой России и другими энергоузлами региона. За пять лет станция выработала свыше 1 миллиарда кВт·ч электроэнергии.

«ПАТЭС позволяет генерировать электроэнергию и тепло в условиях, где другие источники энергии недоступны или экономически нецелесообразны. На протяжении пяти лет станция успешно справляется со сложностями, связанными с эксплуатацией в условиях Крайнего Севера: мы проводим уникальный ремонт по месту базирования и постоянно наращиваем выработку электроэнергии. С 2026 года, после вывода из эксплуатации Билибинской АЭС, наша станция станет основным поставщиком тепло- и электроэнергии для предприятий западной Чукотки», — прокомментировал Андрей Заславский, главный инженер ПАТЭС «Академик Ломоносов».

Энергетика завтрашнего дня

Помимо традиционной атомной энергетики в фокусе внимания госкорпорации находятся водородная энергетика, биоэнергетика, ветроэнергетика, солнечная и гидроэнергетика. В области ветроэнергетики «Росатом» возводит собственные ветроэлектростанции (ВЭС), с этой целью был сформирован отдельный дивизион — «Росатом Возобновляемая энергия». Уже работают станции Адыгейская (Республика Адыгея), Берестовская, Бондаревская, Медвеженская, Труновская, Кармалиновская, Кочубеевская и Кузьминская (Ставропольский край), а также Марченковская (Ростовская область). Кроме того, в 2025 году будет осуществлен первый этап ввода в эксплуатацию Новолакской ВЭС в Республике Дагестан.

Ветроустановки (ВЭУ) «Росатома» обладают мощностью 2,5 МВт каждая, высота конструкции с учетом лопасти — 150 метров, а общий вес — 324 тонны. Все основные компоненты ВЭУ, включая генераторы, гондолы, системы охлаждения и прочее, производят на предприятиях госкорпорации. До 2027 года запланирован ввод в эксплуатацию ВЭС общей мощностью около 1,7 ГВт. Что касается срока службы ветроустановок, то он рассчитан на 20-25 лет.

За рубежом «Росатом» также реализует проекты в области возобновляемых источников энергии. В Кыргызстане ведется строительство гидроэлектростанции (ГЭС) «Лейлек» и планируется возведение ГЭС «Чандалаш» мощностью 30 МВт. В Иссык-Кульской области республики начато строительство ветроэлектростанции мощностью 100 МВт. В общей сложности запланировано создание десятков ВЭС суммарной мощностью около 1 ГВт и ГЭС мощностью 400 МВт. Интерес вызывают и разработки биогазовых станций в России и Казахстане, направленные на утилизацию отходов животноводства и пищевой промышленности с целью производства энергии и удобрений. Эти инициативы способствуют развитию экономики замкнутого цикла, повышая экологическую устойчивость.

Параллельно с этим, одним из самых перспективных направлений остается термоядерный синтез. В настоящее время десятки стран работают во Франции над Международным экспериментальным термоядерным реактором (ИТЭР). Семь предприятий «Росатома» ведут разработку 25 уникальных систем для реализации термоядерного синтеза.

«Чтобы получить большое кольцо плазмы, необходимо решить ряд физических проблем, создать криогенные, вакуумные и многие другие системы. Планируется, что ИТЭР станет первым термоядерным реактором, где будет осуществлен процесс безубыточного термоядерного синтеза дейтерий-тритиевой плазмы», — рассказала Елена Дергунова «Вестнику Атомпрома».

Суть и масштаб атомной отрасли отражают три слова — «гордость», «вдохновение» и «мечта». Если ее становление было ответом на послевоенные вызовы, а успехи «мирного атома» вдохновляли поколения на достижения, то сегодня отрасль стремится обеспечить людям долгую и здоровую жизнь благодаря чистой энергии, передовым методам ядерной медицины, инновационным материалам и современным цифровым технологиям. Об этом расскажем в новых спецпроектах, посвященных 80-летию атомной промышленности.

Светлана Минеева