Jadrová energia – (Skoro) neznámy „otec“ jadrových reaktorov VVER.
História pozná mnoho príkladov, keď práve outsideri, tj. ľudia pôvodne z inej oblasti „boli zodpovední“ za niektoré významné až prevratné objavy v rôznych vedeckých doménach. Aj v tomto prípade je to tak.
Bežná svetová spoločnosť aspoň čiastočne vníma mená ako Einstein, Fermi, Becquerel, Curie, ale aj Kurčatov, Alexandrov, Sacharov....
Ľudia „z brandže“, teda z jadrovej energetiky určite poznajú aj mená ako Bohr, Plancke, Meitner, Chadvick, Oppenheimer, Szilard, Doležal, Sidorenko a pár ďalších.
Ale hovorí Vám niečo meno „Savélij Mojséjevič Féjnberg“? Že nič? Súhlasím, a to som presne aj čakal...
A predsa je to inak!
Jadroví experti, ktorí nutne potrebujú familiárne poznať teóriu a praktické aplikácie, napríklad operátori reaktora, vedúci reaktorového bloku, či zmenoví inžinieri (hlavne staršie ročníky, teda tí, ktorí zažili situáciu nedostatku odbornej literatúry v materskom jazyku, a preto museli čítať odborné knihy ešte v origináloch, teda buď v ruskom alebo anglickom jazyku) to meno poznajú veľmi dobre. Jeho viaceré úžasné knihy, ale hlavne famózna dvojzväzková vysokoškolská učebnica „Teória jadrových reaktorov, Elementárna teória reaktorov“ a tiež „Heterogénne metódy výpočtu jadrových reaktorov“ boli pre nás takpovediac „jadrovou bibliou“! (Autor článku má napríklad vo svojej odbornej knižnici okrem už tu spomenutých knižiek od Féjnberga aj ďalšie tri).
Savélij Mojséjevič Féjnberg bol sovietsky jadrový fyzik, ktorý je známy svojím prispením k navrhovaniu a vývoju jadrových reaktorov VVER, a o ktorom sa doslova dá dokonca povedať ako o otcovi myšlienky konštrukcie a projektu jadrových reaktorov typu VVER, ale aj o ďalších jadrových projektoch.
Napriek tomu nebol nikdy úplne na výslní, ale skôr v pozadí ako jeden z najbližších spolupracovníkov akademika Kurčatova a Alexandrova.
Je to zaujímavé, ale historickým faktom zostáva, že za trvania bývalého Sovietskeho Zväzu boli v úplne drvivej väčšie šéfovia najväčších závodov resp. vedeckých a iných federálnych inštitúcií vždy osobnosti, ktoré mali rýdze ruské rodinné korene (a samozrejme aj priezvisko). Ale zároveň neoficiálne platilo, že ich prvými námestníkmi, či zástupcami boli ľudia, ktorých rodinné korene boli buď židovské, alebo arménske. Asi to súviselo zo zdedenými schopnosťami z generácie na generáciu ako viesť úspešne podnikanie a vyjednávania...
Chlapec zo vzdelanej židovskej lekárskej rodiny...
Ani Savélij Féjnberg nebol výnimka. Narodil sa 24. decembra 1910 v Azerbajdžanskom Baku do uznávanej, vzdelanej židovskej lekárskej rodiny. Otec ako aj strýko boli uznávaní lekári, ktorí sa preslávili. Strýkova rodina bývala v Moskve, kde bol otcov brat šéfom vzdelávacieho oddelenia sovietskeho ministerstva (vtedy Ľudového komisariátu pre zdravie).
Celkovo rodina ako taká bola mimoriadna - okrem Savélija vniesli hodnotné prínosy do ruskej vedy a kultúry aj jeho bratranci Jevgenij Ľvovič Féjnberg, ktorý bol fyzikom, univerzitným profesorom a nakoniec akademikom, a Iľja Ľvovič Féjnberg (Samojlov), literárny kritik, esejista, a vedec zaoberajúci sa dielom A. S. Puškina.
Aj iba o dva roky mladší, geniálny vedec Lev Landau pochádzal taktiež z Baku, a taktiež zo židovsko-lekárskej rodiny. Landauov otec David bol inžinierom v miestnom ropnom priemysle a jeho matka Ljubov Benjaminovna Garkavi-Landau bola lekárkou. Samozrejme že sa navzájom rodiny poznali.
Extra nadaný študent ..
Aj Savélij bol mimoriadne nadaný študent s dôrazom na matematiku, a už ako 22 ročný ukončil Azerbajdžanský polytechnický inštitút v špecializácii „inžinier-architekt“ a hneď pokračoval na škole v ašpirantúre.
Nespokojný mladý muž, hľadajúci si svoje miesto v živote
Po dvoch rokoch a získaní titulu kandidáta vied prešiel do ústavu „Azneft-projekt“, (keďže Baku bolo a je celé obklopené naftovým priemyslom), ale nenašiel tam naplnenie svojich ambícií a v roku 1942 odišiel na výstavbu nového leteckého závodu v Baku. Ani to nebolo úplne to čo by sa mu páčilo a preto v rokoch 1942-1943 vyučoval na Vyššej námornej škole (stále v Baku).
Ale vojna to zmenila – narukoval, priamo síce nebojoval a slúžil ako spojár, ale bol počas bombového útoku vážne zranený. Po čiastočnom vyliečení ho z armády demobilizovali.
Vrátil sa k lietadlám a k vede, a v rokoch 1944-1945 pracoval ako vedúci skupiny v oblasti pevnosti a pružnosti v špičkovom Leteckom výskumnom ústave „CAGI“ v Moskve, kde však žil v drahom podnájme. Ale ani tam nebola jeho vedecká duša spokojná.
Protekčné umiestnenie....
Protekcia je v našich krajoch a spoločnosti vnímaná ako pejoratívne označenie pre umiestnenie hlúpych a neschopných (často rodinných príslušníkov) na výnosné posty. Ale v skutočnosti je to ináč...
„Protekcia“ v preklade znamená „ochrana“ – a bežne vo svete je takto aj vnímaná. To čo je vnímané u nás ako „protekcia“ je v skutočnosti tzv. „Nepotizmus“ (z lat. „nepos“ = synovec) alebo po slovensky rodinkárstvo. Existuje to medzi ľuďmi od nepamäti, ale hlavne sa táto prax sa rozšírila v cirkevných kruhoch počas stredoveku, kedy jej významní činitelia (biskupi, pápeži) nominovali svojich blízkych príbuzných – či už synovcov alebo vlastné nemanželské deti vychovávané ako „synovci“ (odtiaľ názov) – do významných hodností, často dokonca v útlom veku a bez dostatočnej kvalifikácie.
V tomto prípade však ide o doslovnú „protekciu“, teda ochranu extra kvalitného kandidáta pred prípadnou zvôľou byrokracie, či politickým prenasledovaním.
Podobne sa to stalo aj s Levom Landauom (keďže sme ho už tu spomenuli), keď bol zatknutý za leták, ktorý porovnával stalinizmus s nemeckým nacizmom a talianskym fašizmom. Vtedy celosvetovo uznávaný experimentálny fyzik a zakladateľ a vedúci ústavu ruskej akadémie vied Pjotr Kapica napísal list Stalinovi, v ktorom sa osobne zaručil za správanie Landaua a pohrozil opustením ústavu, ak by Landau nebol prepustený z väznice NKVD v Lubjanke.
Podľa osobných spomienok jeho bratranca Jevgenija Féjnberga, ktorý bol už uznávaným fyzikom, mu Savélij v tom čase stále nespokojný so svojim životom a prácou jeden deň zrazu povedal: „Vieš čo Žeňa, zoznám ma s Kurčatovom, nech ma vezme k sebe...“.
A tak Jevgenij (ktorý bol mimochodom už vtedy kamarát so Sacharovom) po jednom seminári povedal Kurčatovovi: „Ivan Vasilijevič, potreboval by som sa s Vami porozprávať o osobnom probléme.“ Na čo mu Kurčatov odpovedal „No tak poďte.“ Ale nebola tam ani kancelária, iba na chodbe bol veľký výklenok so stolíkom. Kurčatov navrhol aby si prisadli: „Sadnite si, poďme sem.“ A Jevgenij spomína: "Mám bratranca, ktorý je duchom matematik, ale vyštudoval stavebné inžinierstvo, a ktorý pracoval na teórii pružnosti a pevnosti škrupín. Som si istý, že Vám bude užitočný. Je inteligentnejší ako ja." A Igor Vasilijevič Kurčatov (sovietsky jadrový fyzik, ktorý je všeobecne známy ako riaditeľ projektu sovietskych atómových bômb, vo vedeckých kruhov ZSSR známy ako „brada“), zareagoval: "Inteligentnejší ako Vy? To je ale charakteristika." „No, tak ho priveďte....“
Po hlbokej odbornej diskusii s Savélijom Féjnbergom došiel Kurčatov k názoru že by to mohol byť dobrý tip a ponúkol Savélijovi nielen prácu, ale hneď aj byt v Moskve.
Kurčatov nikdy svoje rozhodnutie neoľutoval, práve naopak – Savélij Féjnberg dokonca predčil jeho pôvodné očakávania....
Savélij si však spočiatku nebol dostatočne v novej oblasti úplne sebaistý a poprosil svojho bratranca, aby mu istý čas dával ešte z fyziky lekcie.
Nakoniec to skončilo tak, že spolupracovali na difúzii neutrónov. A ako Jevgenij neskôr spomínal "Savélij si rýchlo zvykol a stal sa nakoniec skutočnou Kurčatovovou pravou rukou pre jadrové reaktory."
Po boku (a v tieni) Kurčatova....
Od roku 1945 Savélij Féinberg pracoval na Ústave chemickej fyziky Akadémie vied ZSSR. Prakticky potom už od roku 1946 až do jeho smrti bol celý vedecký život Savélija Féinberga prepojený s tzv. „laboratóriom č. 2“ Akadémie vied ZSSR (od roku 1956 sa ústav premenoval na Kurčatov inštitút pre atómovú energiu). Pracoval ako vedúci výskumný pracovník, vedúci teoretického sektoru, zástupca vedúceho oddelenia na ústave a zároveň bol od roku 1947 profesorom Katedry teoretickej a experimentálnej fyziky jadrových reaktorov špičkového Moskovského inžinierskeho fyzikálneho ústavu (MIFI). V roku 1949 sa stal doktorom fyziky a matematiky.
Návrhy na jadrové reaktory pre ľadoborce a ponorky
V novembri 1949 Savélij Féjnberg na zasadnutí vedecko-technickej rady Osobitného výboru NKVD (ktorý sa zaoberal sovietskym atómovým projektom, pretože šéf NKVD Béria bol za projekt osobne zodpovedný) predložil správu o možnostiach „vytvorenia atómového motora pre podmorskú flotilu v troch verziách (vodné, plynové a kovové chladenie) s výkonom 10 000 kW na hriadeľ.„
A akademik Kurčatov návrh podporil. Znamenalo to začiatok konštruovania sovietskych lodí na jadrový pohon - vojenských aj civilných, vrátane atómového ľadoborca Lenina pre umožnenie celoročnej plavby po severných hraniciach Sovietskeho zväzu.
Návrh prvej jadrovej elektrárni na svete
S. M. Féjnberg bol v skutočnosti aj iniciátorom a vedúcim projektu úplne prvej jadrovej elektrárne na svete s výkonom 5 000 kW v Obninsku. Féjnberg pre túto jadrovú elektráreň sám urobil aj všetky najkomplikovanejšie výpočty.
Vynikajúci profesor teórie jadrových raktorov
Od roku 1947, 20 rokov, Savélij Mojséjevič učil teóriu jadrových reaktorov ako profesor na Katedre teoretickej a experimentálnej fyziky jadrových reaktorov na prestížnom Moskovskom inžinierskom fyzikálnom ústave (MIFI).
Prispel nielen k formovaniu vedeckého výskumu v oblasti fyziky reaktorov na ústave, ale vychoval celé generácie jadrových energetikov. Vychoval množstvo študentov, rozvíjal svoje myšlienky a pracoval v priemysle, spolupracoval s výskumnými a konštruktérskymi ústavmi, s vysokými školami a stal sa uznávaným lídrom sovietskej školy špecialistov na teóriu jadrových reaktorov. V roku 1949 obhájil dizertačnú prácu.
Vďaka nadšeniu Kurčatova, Féjnberga a Dolležala sa Sovietsky zväz stal priekopníkom mierového atómu, ktorý položil základy vodcovstva krajiny v oblasti jadrovej energie.
Féjnberg a jadrové reaktory VVER a experimentálne reaktory
Savélij Féjnberg vyvinul fyzikálny koncept veľkých a malých aktívnych zón, ktorý umožnil následne konštruovať heterogénne usporiadanie aktívnych zón rýchlych neutrónových reaktorov s vysokým množením paliva. Ale riadil aj projekty niekoľkých reaktorov na rôzne účely, vrátane výskumného reaktora SM-2, ktorý produkoval rekordný tok tepelných a rýchlych neutrónov.
On bol v skutočnosti ten, kto navrhol prvý jadrový reaktor typu VVER (najprv pôvodne pre pohony jadrových ľadoborcov a jadrových ponoriek).
Doslova sa dá povedať, že jemu prináleží množstvo pionierskych nápadov a základných myšlienok z oblasti teórie a fyziky reaktorov, ako aj z hľadiska inžinierskych riešení pre rôzne typy reaktorov. Bol účastníkom vývoja prvých experimentálnych a priemyselných reaktorov, jadrových reaktorov pre Novovoronežskú JE, pre Kolskú JE, pre Leningradskú JE a ďalších jadrových elektrární, bol fakticky ideológom sériového výskumu a jedinečných vysokonapäťových zariadení.
Okrem iného aj v oblasti vývoja tzv. impulzných urán-grafitových reaktorov, a osobne riadil vytvorenie obrovského impulzného reaktora „RING“ pre výskum neutrín.
Napríklad na spoločný návrh Féjnberga a Kurčatova, ktorý bol podporený Keldyšom (Mstislav Vsevolodovič Keldyš, bol sovietsky vedec v oblasti matematiky a mechaniky, akademik a neskôr prezident Akadémie vied ZSSR, jedna z kľúčových postáv sovietskeho vesmírneho programu, a vo vedeckých kruhov ZSSR známy ako „hlavný teoretik“), skonštruovali špeciálny výbušný reaktor (RVD, moderný názov - IGR, výskumný grafitový reaktor), ktorý bol vyrobený pre slučkové skúšky palivových článkov jadrových raketových motorov. Návrh reaktora sa uskutočňoval pod vedením Dollešala, a slučkové systémy a prvé experimentálne vzorky palivových kaziet boli vytvorené v utajenom konštrukčnom inštitúte (NII-1). Výsledkom spoločnej práce NII-1 a Inštitútu pre atómovú energiu v slučkových testoch experimentálnych palivových kaziet bolo dosiahnutie ohrevu pracovnej kvapaliny (vodík s uhľovodíkovými prísadami) na 3000–3100 K s celkovou dobou prevádzky jednej zostavy viac ako 150 sekúnd.
Féjnberg a jadrové reaktory RBMK
Féjnberg bol zodpovedný aj za návrh procesných technologických kanálov (TC) pre reaktory RBMK-1000. Jeho spolupracovníci rozkreslili sady montážnych výkresov, vykonali výpočty termohydraulických a neutrónových charakteristík reaktora, ktoré Féjnberg použil pri diskusii o konštrukčných riešeniach navrhnutých hlavným konštruktérom N.A. Dolležalom a jeho tímom z inštitútu NIKIET.
Prakticky všetky teoretické a experimentálne práce na reaktoroch RBMK sa sústreďovali v tzv. „sektore 15“, ktorý poskytoval vedecké usmernenie a podporu priemyselným reaktorom produkujúcim plutónium. S. M. Féjnberg ako zástupca vedeckého vedúceho projektu RBMK považoval za potrebné uskutočniť nezávislé štúdie dizajnu, aby bolo možné relatívne nezávisle posúdiť prácu hlavného dizajnéra RBMK, do ktorého bol menovaný NIKIET, ďalej práce „sektoru 15“ ako aj práce hlavného dizajnéra, ktorý bol menovaný zase inštitút VNII známy pod názvom „Hydroproject „.
Možno keby Féjnberg žil, tak sa Černobyľ nestane....
Na začiatku septembra 1973 bol S. Féjnberg vymenovaný za predsedu Štátnej komisie pre spustenie reaktora RBMK-1000 v 1. bloku Leningradskej jadrovej elektrárne. Keď sa vrátil zo služobnej cesty z Leningradskej JE, oznámil svojim spolupracovníkom, že po spustení jadrového reaktora je potrebné všetko opať skontrolovať a znovu objasniť.
Prečo?
Problém bol v tom, že v pobočke Kurčatovovho inštitútu (NITI- Sosnovy Bor) v blízkosti staveniska 1. bloku Leningradskej JE s reaktorom RBMK-1000, boli vykonané viaceré variantné výpočty aktívnej zóny reaktora RBMK-1000 s najkompletnejšou analýzou vplyvu konštrukcie palivových článkov a ich prevádzkových režimov na neutrónové, fyzikálne a termohydraulické vlastnosti reaktora. Výsledky vykonaných výpočtových štúdií boli pre Kurčatova zhrnuté v rade uzavretých správ, následne upravené a schválené samotným Féjnsbergom. Ale žiaľ, nie všetky získané výsledky boli zahrnuté do správ. A z vykonaných výpočtových štúdií vyplynulo, že z konštrukčných hľadísk s počiatočným obohatením návrhu o urán-235 na úrovni 1,8% je rozstup grafitového „komína“ vybraného pre RBMK z hľadiska dosiahnuteľných hĺbok spaľovania paliva vrátane spôsobu výroby plutónia počas prevádzky optimálny na úrovni 25 cm. Parný účinok reaktivity vzhľadom na vodu (v dôsledku poklesu hustoty vody pri tvorbe pár) je však pre jadrové reaktory typu RBMK v dvojúčelovom režime prevádzky (pre očakávané rovnovážne izotopové zloženie paliva) je však vždy pozitívny a môže významne prekročiť podiel oneskorených neutrónov. Všeobecným záverom z vykonaných výpočtov bolo, že voľba kroku 25 cm nie je bezpečný, pretože vedie k vzniku významného pozitívneho parného účinku reaktivity, čo môže mať za následok výskyt veľkých a nekontrolovateľných nepravidelností v uvoľňovaní energie cez objem reaktora.
Ale do tejto doby už boli hlavné konštrukčné charakteristiky RBMK-1000 schválené a (prakticky) už nebolo možné zmeniť výšku grafitovej vrstvy. Návrhy na zníženie hustoty grafitu na ekvivalent kroku 20 - 22 cm („bublinový“ grafit alebo vyplnenie muriva grafitovými guľkami) sa považovali za prakticky nerealizovateľné.
Porovnanie údajov získaných z práce sektoru 15 ukázalo, že rozdiely v použitých metódach neutrón-fyzikálneho výpočtu prakticky neovplyvňujú očakávané hĺbky spaľovania, majú malý vplyv na očakávané izotopové zloženie paliva a vyhorenia, ale kvantitatívne sa líšia účinkami hustoty vody a grafitovej teploty. V niekoľkých neskorších prácach v Sektore 15, vrátane tých, ktoré boli publikované na uzavretých seminároch, bol tiež objavený pozitívny parný efekt reaktivity. Miera neistoty tohto efektu sa však považovala za príliš veľkú na to, aby bolo možné prijať okamžité rozhodnutia o zmene konštrukcie grafitového komína alebo iných prvkov konštrukcie reaktora alebo o revízii prevádzkových režimov reaktora.
Čakalo sa teda na prvotné spustenie jadrového reaktora RBMK-1000 a výsledky meraní, čo aj Féjnberg osobne získal a na základe ktorých chcel urobiť nápravu, ale...
Na konci októbra 1973 Savélij Mojséjevič Féjnberg však umiera na rakovinu (pravdepodobne v dôsledku ožiarení pri experimentálnych testoch) a jeho popol po kremácii bol uložený v kolumbáriu Novodevičieho kláštora.
Savélij Mojséjevič Féjnberg bol autorom viac ako stovky vedeckých prác a asi 20 vynálezov. Bol dvakrát ocenený Stalinovou cenou (1949, 1953), Dekrétom Ústredného výboru KSSZ a Rady ministrov ZSSR z 21. apríla 1960 „za vytvorenie komplexu výskumných tlakovodných reaktorov VVR-2, VVR-S a IRT“, dostal Leninovu cenu, a aj posmrtne mu udelili štátne vyznamenanie.
Jedno želanie sa mu však nesplnilo, - podľa spomínania jeho priateľov sa veľmi chcel stať členom Akadémie vied ZSSR, a „Kurčatov ho akademikom neurobil (hoci Dolležala áno)“.....
A čo ďalej?
Nuž žiaľ, novovymenovaný predseda štátnej komisie (radšej ho ani nemenujme), zamestnanec spoločnosti NIKIET, nemal o problémoch jadrovej fyziky RBMK žiaľ ani potuchy.....
Ale Féjnbergove myšlienky ešte stále žijú....
Závislosť ľudstva od fosílnych palív by mohli vyriešiť projekty jadrových reaktorov „s tzv. putujúcimi vlnami“ a ďalšími pokrokovými konštrukciami reaktorov, veď novo navrhovaný design spoločnosti TerraPower je vlastne novou variáciou toho, čo už pred 60 rokmi vytvoril dnes už možno aj zabudnutý sovietsky fyzik Savélij Féjnberg.
Féjnberg si už vtedy predstavoval to, čo dnes nazývame množivý a zároveň vyhorievajúci jadrový reaktor. Jeho prvotné návrhy obsahovali pomaly postupujúcu vlnu štiepenia jadra cez zdroj, ako je napríklad cigareta, ktorej spálenie trvá desaťročia, pričom jadrové palivo svojim prechodom cez aktívnu zónu vyhorieva a zároveň sa iné vytvára. Féinbergov dizajn však počas vtedajšieho rušného rozkvetu atómovej energetiky nemohol konkurovať. Uránu bolo dostatok, budovanie ďalších sériových jadrových reaktorov bolo lacnejšie a výstavba bola vtedy ľahšia a jednoduchšia a na riešenie zložitej úlohy zneškodňovania rádioaktívneho odpadu zostávalo ešte desaťročia. Ale dnes je táto oblasť viac ako urgentná......
Koncept jadrového reaktora na vyhorievanie a množenie chradol, až kým ho v 90. rokoch opäť neobnovil Edward Teller, jeden z autorov vodíkovej bomby, a astrofyzik Lowell Wood.
V roku 2006 sa Wood stal poradcom spoločnosti Intellectual Ventures, spoločnosti v oblasti duševného vlastníctva a investícií, ktorá je materskou spoločnosťou spoločnosti TerraPower. V tom čase spoločnosť Intellectual Ventures skúmala všetko – jadrové štiepenie, jadrovú fúziu, obnoviteľné zdroje - ako potenciálne riešenia znižovania uhlíka. A Wood navrhol použitie (či presnejšie využitie) jadrového reaktora s putujúcimi vlnami (TWR), čo je variácia konštrukcie reaktora na vyhorievanie a množenie (paliva).
Technický riaditeľ spoločnosti TerraPower John Gilleland o tom hovoril, že „Čakal som, že za tým za pár mesiacov nájdem niečo zlé (prečo to v minulosti nevyužili) a potom sa sústredím na obnoviteľné zdroje,“ "ale nenašiel som na tom zlé vôbec nič."
Inými slovami, jadrový reaktor spaľuje vysoko štiepne plutóniové palivo, ktoré potrebuje tesne pred vyhorením (tak ako si to Féjnberg pred toľkými desaťročiami predstavoval). Názov „putujúcej vlny“ znamená, že je to čiastočne odlišné od pomaly vyhorievajúceho reaktora „v štýle cigariet“. V TWR bude systém mostových žeriavov udržiavať reakciu v prstencovej časti aktívnej zóny riadeným pohybom zasúvania a vysúvania palivových článkov ako veľmi veľký a mimoriadne presný arkádový záchytný stroj.
TWR bude na výrobu elektriny používať komplikovanejší systém ako súčasné jadrové reaktory, ktoré využívajú svoje obrovské teplo aktívnej zóny na zohriatie, či varenie vody a poháňanie parnej turbíny na generovanie elektriny. V TWR bude teplo absorbované cyklickým prúdom tekutého sodíka.
Pred pár dňami americké Ministerstvo energetiky (DoE) poskytlo 160 miliónov dolárov pre spoločnosti TerraPower a X-Energy na výstavbu nových pokrokových jadrových elektrární.....
