Первый пуск, первая авария, первый капремонт

В год 75-летия атомной отрасли мы запускаем рубрику, в которой расскажем историю создания семейства советских и российских реакторов с ее многочисленными победами и проблемами. Начнем с буквы А — ​строительство первого промышленного уран-графитового реактора для наработки плутония было одним из важнейших этапов советского атомного проекта. Автор новой рубрики — ​Александр Кузнецов, редактор и составитель книг по истории отрасли.

ДОСЬЕ

Александр Кузнецов родился в 1955 году. После окончания Московского института химического машиностроения остался в аспирантуре, в 1980 году стал кандидатом технических наук. Затем работал в ГНИИХТЭОС. В 1989 году перешел на работу в филиал ВНИИНМ в Электростали. С 1993 года — ​заведующий отделом отраслевой газеты «Атомпресса», с 2002 года — ​ее главный редактор. С 2013 года — ​главный редактор газеты «Энергия» Машиностроительного завода.

Атомная вертикаль

Первоначально реакторную установку на строящемся на Урале заводе № 817 (сейчас «Маяк») предполагалось делать с горизонтальным расположением технологических каналов — ​как у американской, описание которой имелось у Игоря Курчатова. Техническое задание на реактор «А» с горизонтальными каналами подготовили в Лаборатории № 2 (теперь это Курчатовский институт) в сентябре 1945 года, а за его конструктивную проработку отвечал конструкторский сектор ГСПИ‑11.

В январе 1946 года к проектированию реактора подключили НИИхиммаш, в котором из наиболее опытных сотрудников сформировали особое подразделение — ​«Гидросектор». В феврале его специалисты во главе с Николаем Доллежалем пришли к идее вертикального аппарата — ​такая конструкция реактора решала многие проблемы, связанные с неравномерностью теплового поля и деформацией устройств.

В августе того же года на спецкомиссии утвердили проект вертикального реактора. Между собой специалисты называли будущий реактор «Аннушкой» — ​использовать термины «котел» или «реактор» не разрешалось ни в устной речи, ни во внутренних документах. Главным технологом проекта был назначен Владимир Меркин, один из сотрудников Курчатова.

Для экономии времени рабочие чертежи в «Гидросекторе» разрабатывали одновременно с исследовательскими и экспериментальными работами на стендах. Это позволило уже в 1946 году выдать рабочие чертежи и технические условия заводам — ​изготовителям оборудования.

Перед конструкторами и проектировщиками реактора стояла сложнейшая задача: нужно было решить множество технических, технологических и научных вопросов и наладить производство огромного количества изделий, не имеющих аналогов в отечественной промышленности.

К созданию «Аннушки» подключили десятки конструкторских бюро, НИИ, заводов и фабрик. Так, конструкция испытанного на стенде устройства, созданного в «Гидросекторе» для выгрузки облученных блоков из каналов, вызвала сомнения.

Когда устройство было изготовлено в полном объеме и испытано в реальных условиях, стало очевидно, что выявленные недостатки не позволят эксплуатировать его, так как оно деформирует блочки. Владимир Меркин предложил в срочном порядке передать проектирование и изготовление разгрузочного устройства на завод № 92 в Горьком. Заводское КБ создало свою конструкцию системы разгрузки облученных урановых блоков кассетного типа, которую и стали в дальнейшем применять на реакторе «А» и других промышленных реакторах.

Котлован невиданных размеров

В сентябре 1946 года ГСПИ‑11 подготовил предварительный проект котлована под реактор «А» — ​размером 80×80×8 м. Через месяц, после детальной проработки конструкции реактора, глубину котлована увеличили до 24 м.

В апреле 1947 года земляные работы на котловане были завершены. Окончательная глубина составила 53 м. На заключительном этапе выемки скального грунта было занято 11 тыс. землекопов. Всего извлекли 157 тыс. м3 грунта. Вручную, с минимальной механизацией работ, за семь месяцев был подготовлен невиданных размеров котлован.

В июле 1947 года завершили бетонирование шахты до отметки 0, уложили 82 тыс. м3 железобетона, смонтировали 6 тыс. т арматуры. Впервые был применен тяжелый бетон — ​в смесь добавляли железную руду для улучшения биологической защиты.

Монтаж реактора также оказался непростой задачей: было невозможно произвести контрольную сборку громоздких и тяжелых металлоконструкций на заводе-изготовителе. Поэтому на специальной площадке производили укрупнение сборных металлоконструкций, которые потом подъемными кранами установили на место.

Здание атомного реактора еще не было достроено, когда в начале марта 1948 года началась выкладка активной зоны из графитовых блоков. По проекту активная зона диаметром 9,2 м и высотой 9,2 м состояла из графитовых вертикальных колонн. Колонны, в свою очередь, состояли из графитовых блоков высотой 600 мм с квадратным сечением 200×200 мм и центральным отверстием диаметром 44 мм. По периметру активной зоны графитовые колонны стягивали специальными бандажами.

Графитовую кладку по вертикали пронизывали 1,2 тыс. тонкостенных алюминиевых труб, через которые протекала вода и в которых располагались урановые блочки, очехлованные оболочкой из алюминиевого сплава.

В один технологический канал загружали 74 блочка. В нижней части труб они упирались в разгрузочное устройство, которое при необходимости выдавало по одному блочку из любой вертикальной трубы. Под собственным весом блочки падали в воду и попадали в шахту перегрузки. Затем они поступали в транспортную галерею, где хранились под слоем воды два месяца, после чего направлялись на переработку.

Сверху и снизу графитовой кладки находились цилиндрические коробчатые металлоконструкции, по периметру кладка была окружена кольцевым баком, заполненным проточной водой.

При сборке нужно было не только правильно распределить графит по зоне, но и соблюдать максимальную чистоту сборки. Используя нейтронные зонды, группа физиков во главе с Игорем Панасюком, научным руководителем строящегося реактора, контролировала чистоту графитовой кладки на всем протяжении работ.

Физпуск «Аннушки»

К концу мая 1948 года был закончен основной монтаж оборудования, механизмов и систем контроля, началась их наладка. Несколько бригад механиков, электронщиков и электриков проводили проверку и отладку устройств регулирования и управления, добиваясь их абсолютной надежности. Общий щит управления находился на удалении от реактора, в отдельной комнате.

1 июня 1948 года строительство промышленного реактора, на сооружение которого потребовалось 5 тыс. т металлоконструкций и оборудования, 230 км трубопроводов, 165 км электрических кабелей, 5745 единиц арматуры и 3800 приборов, было завершено. Государственная комиссия приняла комплекс первого промышленного атомного реактора «А» в эксплуатацию.

В 8:50 началась загрузка реактора топливом — ​урановыми блочками. Первые блочки в реактор уложили лично Игорь Курчатов и начальник Первого главного управления при Совмине Борис Ванников. Во время загрузки реактора бригада физиков под руководством Игоря Панасюка непрерывно вела наблюдение за физическим состоянием реактора. 7 июня в 23:15 закончилась загрузка 36-го слоя урановых блоков.

В 0:30 8 июня приборы зарегистрировали начало самоподдерживающейся цепной реакции в промышленном атомном реакторе. При достижении мощности 10 кВт участники пуска оценили физические характеристики реактора, его систем управления и защиты. Так состоялся физический пуск.

10 июня при закладке в реактор 72,6 т урана (проектом предусматривалась загрузка 120–150 т урана) началась цепная реакция.

Курчатов вносит в оперативный журнал запись: «Начальникам смен! Предупреждаю, что в случае останова воды будет взрыв. Поэтому ни при каких обстоятельствах не допускается прекращение подачи воды».

К 19 июня 1948 года была закончена проверка реактора, и начальник смены отдал распоряжение о переходе в рабочий режим водоснабжения, контроля и обеспечения готовности всех рабочих мест к подъему мощности. За пульт управления садится Панасюк, рядом Курчатов. В 12:15 Курчатов дает разрешение на подъем мощности, после чего началось извлечение регулирующего стержня аварийной защиты. В 14:45 реактор достиг проектной мощности 100 тыс. кВт. При работе на такой мощности в каждой тонне урана за месяц накапливалось до 35 г плутония.

Аварийная ситуация

Уже в первые сутки работы реактора на проектной мощности, 20 июня, возникла аварийная ситуация. Из-за производственного брака в ячейке 17–20 приоткрылся клапан холостого хода, и вода под давлением 8 атмосфер вместо технологического канала уходила в трубопровод холостого хода, где давление на порядок ниже. Из-за недостаточного охлаждения разрушились оболочка уранового блочка и технологическая труба, произошло спекание урана с графитом с образованием карбидов урана — ​атомщики называют такие спекания козлами.

После этой аварии 30 июня 1948 года Курчатов в оперативном журнале начальников смен делает новую запись: «Предупреждаю, что в случае остановки воды рабочего и холостого хода одновременно будет взрыв. Поэтому аппарат без воды оставлять нельзя ни при каких обстоятельствах. Прошу директора реакторного завода ознакомить под расписку тех работников, от которых это зависит».

Расчистка аварийного канала проводилась до 30 июля при работающем реакторе, но 25 июля образовался еще один козел, в другом технологическом канале. Почему нарушилось поступление охлаждающей воды в технологический канал, выяснили только в августе 1949 года, когда после вскрытия технологического канала обнаружили полуоткрытый клапан холостого хода.

Ликвидация аварий вызвала еще одну проблему — ​между графитовой кладкой и технологическим каналом попала вода. Возникла коррозия, которая превратила технологические каналы в решето. Проблему можно было решить заменой технологических каналов из обычного алюминия на каналы из анодированного алюминия, но это требовало полной остановки реактора. И в конце 1948 года такое решение было принято.

Трудности первопроходцев

20 января 1949 года реактор был остановлен на капитальный ремонт. Часть блоков, подвергшихся максимальному облучению, выгрузили плановым способом через систему разгрузки и отправили на переработку. Остальные блочки выгружали через верх реактора, что привело к серьезному переоблучению персонала.

После замены технологических каналов на изготовленные из анодированного алюминия и модернизации системы осушки 26 марта 1949 года реактор вновь стали выводить на мощность.

Перечисление наиболее частых или наиболее тяжелых неполадок и отказов в работе, рассказ о способах и условиях их устранения не даст полного представления о том, что преодолели первопроходцы при эксплуатации первого промышленного реактора. Многого еще не зная, в условиях дефицита урана, что требовало сохранить каждый блочок, в условиях ограниченного доступа к месту работ, зачастую при воздействии радиации персонал реактора «А» находил решение проблем.

В апреле 1950 года были модернизированы технологические каналы реактора — ​их заменили на трубы с другим оребрением, создающим зазор между блочком и стенкой трубы для протекания охлаждающей воды.

Эксплуатация реактора выявляла все новые недочеты его конструкции. 1 октября 1963 года реактор был остановлен на капитальный ремонт, во время которого была реконструирована система водоснабжения, смонтированы водоводы с новыми фильтрами, каналы с клапанами заменены на каналы без клапанов.

В 1970-е годы была достигнута максимальная степень безопасности за счет внедрения системы ограничения перемещения регулирующих стержней, что исключило неконтролируемый подъем мощности реактора.

Регулярное проведение капитальных ремонтов, модернизация средств контроля и управления реактором, совершенствование топлива обеспечивали стабильную работу реактора «А». По проекту первый промышленный реактор должен был проработать три года, фактически он действовал 39 лет — ​до 1987 года. Причем остановили его потому, что международные отношения стали менее напряженными, отпала необходимость в дальнейшей наработке плутония.

При подготовке использованы материалы из архива газеты «Атомпресса», электронной библиотеки истории «Росатома» (www.biblioatom.ru) и других открытых источников. Если вы были участником описываемых событий и знаете интересные факты из истории создания реакторов или обнаружили неточность в описании, напишите об этом автору статьи по адресу atom‑55@mail.ru.