История и технология ядерной энергетики

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования 
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Н.И. Бушуев

ИСТОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ
ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Москва
2017

2-å èçäàíèå (ýëåêòðîííîå)

УДК 621.311.25
ББК 31.47
Б94

Рецензенты:
профессор, доктор технических наук В. Б. Николаев,
зам. начальника отдела ОСРО «НИИ энергетических сооружений»;
профессор, доктор технических наук В. Н. Соловьев, ФГБОУ ВПО «МГСУ»

Б94
Бушуев, Николай Иванович
История и технология ядерной энергетики [Электронный ресурс] : Учебное пособие / Н. И. Бушуев ; М-во образования и науки 
Рос. Федерации, Нац. исследоват. Моск. гос. строит. ун-т. — 2-е изд. 
(эл.). — Электрон. текстовые дан. (1 файл pdf : 234 с.). — М. : Изд-во 
Моск. гос. строит. ун-та, 2017. — Систем. требования: Adobe Reader 
XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10".
ISBN 978-5-7264-1644-1 
Рассмотрена специфика технологии основных процессов производства природного урана, его обогащения, изготовления тепловыделяющих элементов и сборок, радиохимической регенерации отработавшего ядерного топлива и обращения с радиоактивными отходами. Дана функциональная связь технологии и применяемого оборудования со строительными решениями. Приведены основные природные радиоактивные 
изотопы, требующие радиационного контроля при строительстве зданий и сооружений. Рассмотрены вопросы защиты окружающей среды от внешних техногенных воздействий, в том числе и от атомных станций.
Для студентов, обучающихся по программе бакалавриата по направлению подготовки 08.03.01 «Строительство» обучающихся по программе специалитета по специальности 08.05.01 «Строительство уникальных знаний и сооружений».

УДК 621.311.25 
ББК 31.47

Деривативное электронное издание на основе печатного издания: История и 
технология ядерной энергетики : Учебное пособие / Н. И. Бушуев ; М-во 
образования и науки Рос. Федерации, Нац. исследоват. Моск. гос. строит. 
ун-т. — М. : Изд-во Моск. гос. строит. ун-та, 2015 — 232 с. — ISBN 978-57264-1060-9.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-7264-1644-1 
© Национальный исследовательский 
Московский государственный 
строительный университет, 2017

ПРЕДИСЛОВИЕ

В институте гидротехнического и энергетического строительства 
(ИГЭС) Московского государственного строительного университета студенты второго — пятого курсов, специализирующиеся в области строительства и проектирования ядерных установок, изучают дисциплины «История и технология энергетики», «Строительство ядерных установок», «Безопасность АЭС», «Здания ядерных 
установок» и др.
Второе издание учебного пособия сформировано в соответствии 
с учебными планами и рабочими программами на основе конспектов лекций, неоднократно дополнявшихся автором по мере совершенствования строительного процесса и технологии ядерных установок.
Во втором издании кратко изложены различные способы получения электроэнергии. Тепловые (ТЭС), атомные (АЭС) и гидроэлектростанции (ГЭС) в мире занимают ведущее место. ТЭС широко распространены. Они используют органическое топливо, при 
сжигании которого нагревается теплоноситель с образованием пара. 
Пар поступает на турбину, и в генераторе вырабатывается электричество. ГЭС используют энергию движения воды. АЭС — реакции 
деления урана и плутония. Нетрадиционные методы используют 
энергию солнца, ветра, подземных источников и т.д.
Вероятно, к концу текущего столетия органическое топливо в 
значительной мере будет израсходовано. Роль ТЭС сократится. 
Кроме того, в России около 70 % ТЭС требуют капитального ремонта или подлежат закрытию.
Гидроэнергетика имеет сезонный характер, в равнинных областях России ГЭС не экономичны, и предпочтение отдается другим 
установкам.
Нетрадиционные методы пока не нашли широкого применения 
из-за дороговизны оборудования и ряда других недостатков. Мощности таких установок ограничиваются десятками или, в крайнем 
случае, сотнями мегаватт (МВт).
Запасов сырья для АЭС хватит на тысячи лет. По экономичности 
они соперничают с гидроэлектростанциями. Недостатком АЭС является наличие радиоактивных отходов и риск аварий. Чаще всего 
аварии происходят из-за человеческого фактора.

Все большее внимание в разных странах отводится термоядерному синтезу — термоядерным реакторам (ТЯР). Во Франции создан и реализуется международный проект исследовательского термоядерного энергетического реактора (ИТЭР).
Таким образом, наиболее перспективными методами выработки электроэнергии являются атомная и термоядерная энергетика.
Мотивом для подготовки данной работы явилось отсутствие 
единого учебника по проектированию и строительству объектов 
атомной энергетики. При этом весьма важным является связь технологии, применяемого оборудования и функциональной увязки 
со строительными решениями.
Кратко изложены история развития и основы ядерной физики. 
Более подробно описан урановый топливно-ядерный цикл, включая экологические особенности проектирования, строительства и 
эксплуатации различных ядерных объектов, радиационную безопасность, переработку отработанного ядерного топлива и вывод 
ядерных установок из эксплуатации.
Построение дисциплины предусматривает систематические проверки текущих знаний студентов на основе практических занятий 
и самостоятельных работ. В цикл контрольных мероприятий входят 
контрольные упражнения, выполняемые в аудитории на основе 
индивидуальных курсовых работ и рефератов. Это позволяет выявить правильность ведения конспекта и дисциплинирует студентов в части посещения занятий. Организованный таким образом 
учебный процесс полностью оправдывает поставленные задачи.
Накопленный опыт не исключает необходимости дальнейшего 
совершенствования работы.

ВВЕДЕНИЕ.
ИСТОРИЯ МИСИ — МГСУ — ТЭС — СЯУ

В 1905 г. в Москве было открыто Среднее строительно-техническое училище инженера М.К. Приорова, а в 1907 г. — Московское 
среднее строительно-техническое училище Товарищества инженеров и педагогов, которое в 1917 г. преобразуется в Среднее политехническое училище с правами государственного учебного заведения, а в 1919 г. — в 1-й Московский строительный техникум.
Основание МИСИ относится к 1921 г., когда Среднее строительно-техническое училище инженера М.К. Приорова и 1-й Московский строительный техникум были преобразованы в практические строительные институты, а затем объединены в один Московский практический строительный институт в Малом 
Харитоньевском переулке, дом 5.
В 1923 г. Московский практический строительный институт объединяется с Московским институтом гражданских инженеров, основанным в 1922 г., и располагается на Покровском бульваре, дом 
5, где сейчас находится Военно-инженерная академия.
В 1924 г. Московский институт гражданских инженеров входит 
в состав инженерно-строительного факультета МВТУ. В начале 
1930 г. все факультеты МВТУ были реорганизованы в самостоятельные вузы. На базе инженерно-строительного факультета было 
создано Высшее инженерно-строительное училище (ВИСУ).
В 1932—1933 гг. Учебно-строительный комбинат Союзстроя, 
созданный в 1930 г., после присоединения к нему «Института в производстве» Народного Комиссариата тяжелой промышленности, 
конструкторского факультета Московского архитектурно-строительного института и строительного курсового института НКТП 
преобразуется в вуз — Московский высший строительный институт (МВСИ). ВИСУ и МВСИ преобразуются в МИСИ.
В октябре 1941 г. МИСИ под руководством проф. Н.С. Стрелецкого эвакуируется в Новосибирск, а 8 ноября 1941 г. начинаются 
учебные занятия. В январе 1942 г. был осуществлен первый ускоренный выпуск инженеров-строителей. В дальнейшем учебные занятия проводились по учебным планам военного времени с защитой дипломных проектов.
В октябре 1943 г. преподаватели, служащие института и студенты вернулись в Москву. В 1944 г. МИСИ разместился на Спартаковской улице, дом 2.

В 1959 г. МИСИ объединяется с Московским институтом инженеров городского строительства (МИИГС) и располагается на 
Шлюзовой набережной, дом 8.
С 1966 г. МИСИ является базовым строительным институтом. 
В 1996 г. МИСИ преобразован в МГСУ.
В МГСУ подготовка инженеров, специалистов, бакалавров, магистров и аспирантов осуществляется по очной, вечерней и заочной 
формам обучения как на госбюджетной, так и на контрактной основе.
Факультет теплоэнергетического строительства — первый в стране факультет этого профиля — создан в 1967 г. на базе кафедр строительства ядерных установок (СЯУ), строительства тепловых и 
атомных электростанций (СТАЭ) и ряда других.
Первый декан факультета — доцент кафедры теоретической механики С.Г. Терзибашянц. Позднее деканами факультета были профессора кафедры СЯУ В.Б. Дубровский, В.Б. Гетманов, П.А. Лавданский П.А. и А.П. Пустовгар.
В 2005 г. на базе факультетов теплоэнергетического строительства, гидротехнического и специального строительства и водоснабжения и водоотведения создается институт энергетического, водохозяйственного и природоохранного строительства (ИЭВПС). 
В 2011 г. ИЭВПС преобразован в институт гидротехнического и 
энергетического строительства (ИГЭС).

Кафедра строительства ядерных установок была создана 31 июля 
1958 г. приказом № 803 Министерства высшего образования СССР 
по инициативе и при непосредственном участии А.Н. Комаровского в составе факультета промышленного и гражданского строительства. Она была ориентирована на подготовку инженеров-строителей по проектированию и строительству предприятий атомной 
промышленности. Ученый Совет МИСИ избрал заведующим кафедрой доктора технических наук, профессора Комаровского Александра Николаевича.
А.Н. Комаровский возглавлял кафедру СЯУ до 1973 г. При нем 
были заложены ключевые принципы учебной, учебно-методической и научной работы, которые позволили кафедре стать уникальным учебно-научным подразделением, подготовившим и воспитавшим плеяду крупных деятелей, организаторов и руководителей 
производства в области исследования, проектирования и строительства ядерных установок, и решать принципиально новые 
 задачи.

А.Н. Комаровский родился 20 мая 1906 г. в Петербурге в семье 
инженера-строителя. В 1923 г. в г. Москве окончил школу, а в 
1928 г. — МИИТ. Работал на строительстве канала Москва — Волга. С 1939 г. заместитель наркома СССР по строительству. Во время 
Великой Отечественной войны был начальником управления по 
строительству оборонительных сооружений, командующим 5-й 
саперной армией. С 1942 г. — начальник строительства Челябинского металлургического комбината, а с 1944 г. — начальник Главного управления промышленного строительства. С 1945 г. и до конца 1963 г. руководил проектированием, строительством и монтажом 
объектов предприятий атомной промышленности Министерства 
среднего машиностроения. По поручению Совета министров СССР 
с 1948 г. по совместительству руководил проектированием и строительством Московского государственного университета до сдачи 
его в эксплуатацию в 1953 г. В 1963 г. назначен заместителем министра обороны СССР по строительству и расквартированию войск. 
А.Н. Комаровский имел воинское звание генерала армии.

За успешную работу в области строительства и обороны страны 
А.Н. Комаровский удостоен многих наград: Герой Социалистического труда, лауреат Ленинской и Государственной премий, 13 орденов и 8 медалей СССР.
В 1956 г. А.Н. Комаровскиму присвоена ученая степень доктора 
технических наук, а в 1957 г. — ученое звание профессора.

С 1973 по 2005 г. кафедру возглавлял ученик и продолжатель дела 
Комаровского профессор, доктор технических наук Виталий Борисович Дубровский. Под руководством В.Б. Дубровского на кафедре получили дальнейшее развитие принципы учебно-педагогической и научной работы, заложенные А.Н. Комаровским. Решались задачи, связанные с развитием фундаментальных и 
прикладных исследований на важнейших направлениях науки и 
техники.

В настоящее время по специализации СЯУ работают 16 преподавателей.
Преподавателями изданы несколько десятков учебников, учебных пособий и методических указаний в России и за рубежом. Особо следует отметить такие издания, как «Строительство ядерных 
установок» (А.Н. Комаровский), два издания «Строительство атомных электростанций» (В.Б. Дубровский, П.А. Лавданский, И.А. Енговатов), справочное пособие «Радиационная стойкость минераль

ных и полимерных строительных материалов» (А.В. Денисов, 
В.Б. Дубровский, В.Н. Соловьев).
Сотрудники кафедры проводили научно-исследовательские и 
опытно-конструкторские работы на атомных электростанциях, исследовательских реакторах, ускорителях заряженных частиц и других объектах в России и за рубежом.
По результатам научно-исследовательских работ выполнены и 
успешно защищены 5 докторских и 38 кандидатских диссертаций.
За период своего существования кафедра подготовила несколько тысяч инженеров-строителей, которые успешно работают в производственных, проектных, управленческих и научно-исследовательских организациях строительного комплекса России.
В сентябре 2013 г. кафедра строительства ядерных установок 
была объединена с кафедрой строительства тепловых и атомных 
электростанций под общим названием «Строительство объектов 
тепловой и атомной энергетики».

Глава 1

ВИДЫ ЭНЕРГИИ.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ 
В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ

1.1. Источники энергии

Первобытный человек в своем распоряжении имел только энергию собственных мускулов, равную около 0,1 л. с, и ежедневно расходовал не более двух-трех килокалорий. В настоящее время мускульная сила человека составляет менее 1 % от общего потребления энергии. Применяя энергию падающей воды, угля, нефти и 
газа при сжигании, человек для своих нужд стал использовать до 
200 ккал. Увеличение расхода энергии связано с развитием цивилизации, ростом населения, расширением и углублением знаний 
человека об окружающем мире. Это вынуждало изыскивать новые 
энергоресурсы и новые способы преобразования энергии одного 
типа в другой. ООН прогнозирует рост населения земли к 2125 г. 
до 12 млрд чел. За последние 50 лет израсходовано энергии больше, 
чем за всю предыдущую историю. Структура использования энергоресурсов по мере развития производительных сил приведена в 
табл. 1.1.
Таблица 1.1
Структура использования энергоресурсов

Год
Виды энергоресурсов, %

500 000 лет до н.э. Сила мускул (100)

2000 лет до н.э.
Сила мускул (70), органические остатки (25), дерево (5)

1500
Дерево (70), остатки органики (20), сила мускул (10)

1910
Уголь (63), остатки органики (16), дерево (15), вода (3), 
нефть (3)

1935
Уголь (55), остатки органики (15), нефть (15), дерево (6), вода 
(6), газ (3)

1972
Нефть (34), уголь (32), газ (18), вода (8), ядерное горючее (6), 
остатки органики (2)

2000
Нефть (30), газ (22), ядерное горючее (21), уголь (21), вода (6)

Эти данные говорят о том, что и в обозримом будущем решающая роль будет принадлежать использованию природного топлива. 
Запасы энергии на планете распределены неравномерно как по 
количеству, так и по возможности их реализации. Энергоресурсы 
подразделяются на возобновляемые и невозобновляемые. К первым 
относятся энергоресурсы, непрерывно восстанавливаемые природой (вода рек, геотермальные подземные воды, энергия морских 
приливов и отливов, ветер, солнечная энергия, водород и т.д.), а ко 
вторым — энергоресурсы, ранее накопленные в природе. В новых 
геологических условиях они практически не образуются (каменный 
уголь, нефть, газ, торф, горючие сланцы) — органическое топливо.

1.2. Запасы энергии

Топливная промышленность включает в свой состав отрасли по 
добыче и переработке различных видов минерального сырья. Ведущая роль здесь принадлежит нефтяной, газовой и угольной отраслям. Размещение топливно-энергетических ресурсов России 
неблагоприятно — большая их часть располагается в восточных 
районах страны. Преимуществом является концентрация этих запасов в крупных месторождениях.
Наибольшая доля доступных невозобновляемых энергоресурсов 
приходится на уголь (75...85 %), нефть (10...15 %), газ (5...10 %), а 
на все остальные энергоресурсы менее 2 %.
Ограниченность энергоресурсов и удорожание энергии будут 
усиливать тенденцию к более резкому и экономичному их использованию.
Для сопоставления различных видов топлива и суммарного учета его запасов принята единица учета — условное топливо, что соответствует 29,3 мДж/кг, или 7000 ккал/кг энергии. Отметим, что 
при сгорании 1 кг древесины выделяется около 20 мДж, бурого 
угля — 13 мДж, антрацита — 25 мДж, нефти и нефтепродуктов — до 
42 мДж, природного газа — 45 мДж, водорода — 120 мДж.
При умеренной стоимости только до 1/3 мировых запасов энергоресурсов могут быть извлечены с использованием современной 
техники. С другой стороны, современные потребности в энергоносителях составляют 1,1·1010 т у. т./год и растут со скоростью 3...4 % 
в год, т.е. удваиваются каждые 20 лет.
Легко оценить, что органические ископаемые ресурсы будут в 
значительной мере израсходованы в будущем веке. На рис. 1.1 по