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미국 주변의 기술, 기술, 개체의 역사
원자력 발전소. 발명과 생산의 역사
원자력 발전소(NPP) - 원자로(원자로)와 필요한 시스템, 장치, 장비 및 구조물의 복합체가 있는 프로젝트에 의해 정의된 영역 내에 위치한 특정 모드 및 사용 조건에서 에너지를 생산하기 위한 원자력 시설입니다. 이 목적을 달성하기 위해 필요한 인력(직원)이 사용됩니다. 세계 최초의 원자력 발전소는 히로시마 원자폭탄이 투하된 지 XNUMX년 후 소련에서 건설되었습니다. 기술 역사상 가장 중요한 이 사건은 우리 자신의 핵무기를 만들기 위한 열정적이고 강렬한 작업으로 이어졌습니다. 과학 연구는 저명한 과학자이자 재능 있는 조직자인 Igor Kurchatov가 주도했습니다.
1943년 Kurchatov는 모스크바에 자신의 연구 센터를 만들었습니다. 이 실험실과 다른 실험실에서 미국 과학자들의 모든 연구는 가능한 한 짧은 시간에 반복되어 순수한 우라늄과 순수한 흑연을 얻었습니다. 2년 1946월, 이곳에서 실험용 핵 우라늄-흑연 원자로 F1에서 첫 번째 연쇄 반응이 수행되었습니다. 이 원자로의 전력은 겨우 100와트에 도달했습니다. 그러나 이미 개발이 한창 진행 중인 대형 산업용 원자로 설계의 기초가 되는 중요한 데이터를 얻을 수 있었습니다. 소련에서는 그러한 원자로를 건설한 경험이 없었습니다. 잠시 생각한 후 Kurchatov는 Nikolai Dollezhal이 이끄는 NIIkhimmash에 이 작업을 맡기기로 결정했습니다. Dollezhal은 순수한 기계 화학자였으며 핵 물리학을 공부한 적이 없었지만 그의 지식은 매우 귀중한 것으로 판명되었습니다. 그러나 NIIkhimmash도 자체적으로 원자로를 만들 수 없었을 것입니다. 이 작업은 다른 여러 기관이 참여한 후에야 성공적으로 진행되었습니다. Dollezhal 원자로의 작동 원리와 장치는 일반적으로 명확했습니다. 우라늄 블록 및 제어 막대를 위한 채널이 있는 흑연 블록 - 중성자 흡수 장치가 금속 케이스에 배치되었습니다. 우라늄의 총 질량은 물리학자들이 계산한 요구 값에 도달해야 했으며, 이 값에서 우라늄 원자의 지속적인 연쇄 반응이 시작되었습니다. 우라늄 핵의 핵분열 반응의 결과, 두 개의 파편(XNUMX개의 새로운 핵)뿐만 아니라 여러 개의 중성자가 나타났다. 이러한 0세대 중성자는 반응을 지원하는 역할을 하여 75세대, 150세대 등의 중성자가 생성되었습니다. 평균적으로 발생하는 천 개의 중성자에 대해 핵분열의 순간에 즉각적으로 태어나지 않고 조금 후에 파편에서 날아간 것은 소수에 불과합니다. 우라늄 핵분열 과정의 작은 세부 사항인 소위 지연 중성자의 존재는 제어된 연쇄 반응의 가능성에 결정적입니다. 그들 중 일부는 몇 분의 XNUMX초만큼 지연되고 다른 일부는 몇 초 이상 지연됩니다. 지연된 중성자의 수는 전체 수의 XNUMX%에 불과하지만 중성자 플럭스 성장 속도를 상당히(약 XNUMX배) 느리게 하여 원자로 출력을 조절하는 작업을 용이하게 합니다. 이 시간 동안 중성자를 흡수하는 막대를 조작하여 반응 과정에 개입하거나 속도를 늦추거나 높일 수 있습니다. 대부분의 중성자는 핵분열과 동시에 태어나며, 짧은 수명(약 XNUMX만분의 XNUMX초) 동안에는 이미 핵 폭발이 일어난 원자 폭발을 멈추는 것이 불가능하듯이 반응 과정에 어떤 식으로든 영향을 미칠 수 없습니다. 시작했다. 이 정보를 바탕으로 Dollezhal의 팀은 작업에 신속하게 대처할 수 있었습니다. 이미 1948년에 여러 개의 산업용 원자로가 있는 플루토늄 공장이 건설되었으며 1949년 XNUMX월에는 최초의 소련 원자폭탄이 시험되었습니다. 그 후 Kurchatov는 원자력의 평화로운 사용에 더 많은 관심을 기울일 수 있었습니다. 그의 지시에 따라 Feinberg와 Dollezhal은 원자력 발전소용 원자로 설계를 개발하기 시작했습니다. 첫 번째는 물리적 계산을 수행하고 두 번째는 엔지니어링을 수행했습니다. 원자로가 무기급 플루토늄을 생산할 수 있을 뿐만 아니라 강력한 발전소가 될 수 있다는 사실은 최초의 제작자에게 분명해졌습니다. 방사성 방사선과 함께 진행 중인 핵 반응의 외부 징후 중 하나는 상당한 열 방출입니다. 원자 폭탄에서 이 열은 즉시 방출되어 손상 요인 중 하나입니다. 연쇄 반응이 있는 원자로는 그을린 상태에서 몇 달, 심지어 몇 년 동안 강렬한 열 방출이 계속될 수 있으며, 몇 킬로그램의 우라늄은 수천 개의 연소 중에 방출되는 만큼의 에너지를 방출할 수 있습니다. 기존 연료 톤. 소비에트 물리학자들은 이미 핵 반응을 제어하는 방법을 배웠기 때문에 발전용 원자로를 만드는 문제는 원자로에서 열을 제거하는 방법을 찾는 것으로 축소되었습니다. Kurchatov가 실험 중에 얻은 경험은 매우 가치가 있었지만 많은 질문에 대답하지 못했습니다. 그 당시 건설된 원자로는 발전용 원자로가 없었습니다. 산업용 원자로에서 열에너지는 불필요할 뿐만 아니라 해롭습니다. 즉, 우라늄 블록을 냉각하기 위해 제거해야 했습니다. 핵반응 중에 방출된 열을 수집하고 사용하는 문제는 소련이나 미국에서 아직 고려되지 않았습니다. 원자력 발전소용 원자로를 설계하는 방법에 대한 가장 중요한 질문은 다음과 같습니다. 어떤 유형의 원자로(빠른 중성자 또는 느린 중성자)가 가장 적합하며, 중성자 감속재(흑연 또는 중수)는 무엇이어야 하는지, 어떤 역할을 할 수 있는지 냉각제(물, 가스 또는 액체 금속)로서 온도와 압력은 어떠해야 합니다. 이 외에도 자재, 인력 안전, 효율성 증대 등 많은 질문이 쏟아졌다. 결국, Feinberg와 Dollezhal은 이미 테스트된 것에 정착했습니다. 그들은 흑연 감속재와 냉각수를 사용하는 완속 중성자로를 개발하기 시작했습니다. 좋은 실용적이고 이론적 인 경험은 이미 사용에 축적되었습니다. 이것은 그들의 프로젝트의 성공을 미리 결정했습니다. 1950년 중형 기계 건설부의 기술 위원회는 제안된 몇 가지 옵션 중에서 NIIkhimmash가 개발한 원자로를 선택했습니다. 전체 발전소 설계(Obninsk에서 건설하기로 결정)는 Gutov가 이끄는 Leningrad 연구 기관 중 하나에 위임되었습니다. 첫 번째 원자력 발전소의 계획 용량인 5000kW는 대부분 우연히 선택되었습니다. 바로 그때 MAES는 완전한 기능을 갖춘 5000kW 터보 발전기를 해체하고 건설 중인 오브닌스크(Obninsk)로 운송했습니다. 그 아래 그들은 전체 원자력 발전소를 설계하기로 결정했습니다.
원자로는 과학적인 대상이라기보다는 산업적인 것이 아니었다. 원자력 발전소 건설은 1947년에 설립된 오브닌스크 물리 에너지 연구소에서 직접 감독했습니다. 초기에는 과학적인 힘도 필요한 장비도 충분하지 않았습니다. 생활여건도 만만치 않았다. 도시는 막 건설되고 있었다. 포장되지 않은 거리는 봄과 가을에 지나갈 수 없는 진흙으로 뒤덮였고, 차들은 절망적으로 갇혔습니다. 대부분의 주민들은 목조 막사와 불편한 "핀란드" 주택에 모여 있었습니다. 실험실은 완전히 무작위적이고 과학적 목적에 부적합한 건물에 위치했습니다(하나는 이전의 어린이 식민지였고 다른 하나는 Morozovs의 저택이었습니다). 전기는 오래된 500kW 증기 터빈에서 생성되었습니다. 그녀가 멈추자 온 마을과 건설 현장이 어둠에 잠겼다. 가장 복잡한 계산은 수동으로 이루어졌습니다. 그러나 과학자들(많은 사람들이 전선에서 최근에야 돌아왔음)은 어려움을 견뎌냈습니다. 그들이 세계 최초의 원자력 발전소를 설계하고 건설하고 있다는 생각은 마음을 설레게 하고 큰 열정을 불러일으켰습니다. 순전히 과학적 문제에 관해서도 매우 어려웠습니다. 발전용 원자로와 산업용 원자로의 근본적인 차이점은 두 번째 유형의 원자로에서 물은 냉각재 역할만 하고 다른 기능은 수행하지 않는다는 것입니다. 또한, 물에 의해 제거된 과도한 열은 온도가 끓는점에 도달하지 못할 정도였습니다. 여기서 물은 에너지 운반체, 즉 유용한 작업을 수행할 수 있는 증기를 형성하는 역할을 하는 것이었습니다. 그래서 최대한 온도와 압력을 높여야 했다. 터보제너레이터의 효율적인 작동을 위해서는 최소한 200도 이상의 온도와 12기압의 증기를 얻을 필요가 있었습니다. 지금은 이 매개변수).
건설 중에 산업용 원자로의 설계가 기본으로 사용되었습니다. 우라늄 막대 대신에 우라늄 열 제거 요소 - 연료 요소가 제공되었습니다. 그들 사이의 차이점은 물이 외부에서 막대 주위로 흐르고 연료 막대가 이중 벽 튜브라는 것입니다. 농축 우라늄은 벽 사이에 있었고 물은 내부 채널을 통해 흘렀습니다. 계산에 따르면 이러한 디자인을 사용하면 원하는 온도로 가열하는 것이 훨씬 쉽습니다. 초안 도면에 따르면 원자로의 다음 모습이 어렴풋이 나타났습니다. 직경이 1,5m 이상인 원통형 몸체의 중간 부분에는 활성 영역이 있습니다. 약 170cm 높이의 흑연 벽돌이 채널을 관통합니다. 그들 중 일부는 연료 요소용으로, 다른 일부는 중성자를 흡수하고 주어진 수준에서 자동으로 평형을 유지하는 막대용이었습니다. 냉수(실제로 전혀 춥지 않은 온도 - 약 190도)는 연료봉 집합체의 하부로 흘러야 합니다. 열 제거 요소를 통과하고 80도 더 뜨거워지면 어셈블리 상부로 떨어졌고 거기에서 온수 수집기로 떨어졌습니다. 끓어 증기가 되지 않기 위해서는(반응로의 오작동을 일으킬 수 있음) 100기압 이하의 압력을 가해야 했다. 수집기에서 뜨거운 방사성 물은 파이프를 통해 열교환 기 - 증기 발생기로 흘러 들어간 후 원형 펌프를 통과 한 후 냉수 수집기로 돌아 왔습니다. 이 전류를 첫 번째 회로라고 합니다. 냉각수(물)는 외부로 침투하지 않고 악순환을 반복합니다. 두 번째 회로에서 물은 작동 유체로 작용했습니다. 여기에서 그녀는 비방사성이었고 다른 사람들에게 안전했습니다. 열교환 기에서 최대 190도까지 가열되고 12 기압의 압력으로 증기로 변한 후 터빈에 공급되어 유용한 작업을 수행했습니다. 터빈을 떠나는 증기는 응축되어 증기 발생기로 다시 보내져야 했습니다. 전체 발전소의 효율은 17%였습니다. 설명하기 쉬워 보이는 이 계획은 사실 기술적으로 매우 복잡했습니다. 원자로 이론은 그 당시에는 존재하지 않았습니다. 그것은 그것과 함께 태어났습니다. 연료봉은 특히 복잡한 요소였으며 설계는 전체 설비의 효율성에 크게 좌우되었습니다. 그곳에서 일어나는 과정은 모든 관점에서 매우 복잡했습니다. 우라늄을 우라늄에 적재하는 방법과 방법, 농축해야 할 정도, 고압에서 물의 순환을 달성하는 방법 및 방법을 결정하는 것이 필요했습니다. 열 교환을 보장합니다. 여러 옵션 중에서 Vladimir Malykh가 개발한 연료봉이 선택되었습니다. 우라늄-몰리브덴 분말(우라늄은 최대 5% 농축됨)과 미세하게 분할된 마그네슘으로 압축된 이 금속은 우라늄-몰리브덴 합금과 연료봉 벽.
연료 요소의 충전뿐만 아니라 클래딩도 문제를 일으켰습니다. 열 제거 요소의 재료는 강도, 내식성을 가져야 하며 장기간 방사선에 노출되어도 특성이 변하지 않아야 합니다. 화학적 관점에서 볼 때 최고의 재료인 스테인리스강은 중성자를 강하게 흡수하기 때문에 물리학자들이 좋아하지 않았습니다. 결국, Dollezhal은 그럼에도 불구하고 강철에 정착했습니다. 흡수 특성을 보상하기 위해 농축 우라늄의 비율을 늘리기로 결정했습니다(훨씬 나중에 필요한 모든 조건을 충족하는 연료봉을 위해 특수 지르코늄 합금이 개발되었습니다).
연료봉의 제작과 스테인리스강의 용접은 극도로 어려운 것으로 판명되었습니다. 각 연료 요소에는 여러 개의 이음새가 있었고 128개의 연료 요소가 있었습니다. 한편, 이음새의 견고성에 대한 요구 사항이 가장 높았습니다. 이 문제에 대해 작업한 많은 기관 중 하나는 스테인리스강 용접 기술을 개발하는 임무를 받았습니다. 결국 작업은 성공적으로 완료되었습니다. 1954년 XNUMX월에 원자로가 진수되었고 같은 해 XNUMX월에 원자력 발전소가 첫 번째 전류를 공급했습니다. 첫 번째 원자력 발전소에서는 원자로에서 발생하는 프로세스에 대한 제어 시스템이 신중하게 고려되었습니다. 제어봉의 자동 및 수동 원격 제어, 원자로 비상 정지 및 연료봉 교체 장치를 위한 장치가 만들어졌습니다. 핵분열 물질의 임계 질량에 도달해야 핵 반응이 시작되는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 원자로가 작동하는 동안 핵연료는 연소된다. 따라서 다소 중요한 시간 동안 원자로의 운전을 보장하기 위해서는 상당한 양의 연료를 계산할 필요가 있습니다. 반응 과정에 대한 이 초임계 예비의 영향은 과잉 중성자를 흡수하는 특수 막대에 의해 보상되었습니다. 원자로의 출력증가가 필요한 경우(연료가 소진됨에 따라) 제어봉을 원자로 노심에서 다소 연장하여 원자로가 우라늄의 연쇄반응 및 활성 핵분열 직전에 있는 위치에 설치하였다. 핵이 일어나고 있었다. 마지막으로 비상 보호 막대가 제공되어 코어로 낮추면 즉시 핵 반응이 꺼집니다. 저자: Ryzhov K.V.
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