Шультен, Рудольф

С 1955 года Шультен участвовал в планировании первого немецкого ядерного реактора FR 2, построенного в Карлсруэ. Для изучения текущих разработок он посещал США (в частности, Национальную лабораторию Ок-Ридж) и Великобританию.

В начале 1950-х годов в мире возникли опасения по поводу нехватки энергии. На Первой Международной конференции по мирному использованию атомной энергии в Женеве в августе 1955 года гражданское использование ядерной энергии было признано решением этой проблемы. 32-летний Шультен участвовал в конференции в составе немецкой делегации. Немецкие участники отметили отставание Германии в области гражданского использования ядерной энергии, что привело к объединению усилий науки и политики для преодоления этого разрыва^[5]. Шультен также считал необходимым развивать гражданское использование ядерной энергии на рынках электроэнергии, тепла и топлива.

Шультен выбрал торий-урановый цикл вместо уран-плутониевого, используемого в легководных реакторах. Он исследовал возможность получения ядерного топлива уран-233 из тория-232 в реакторе без образования плутония^[6][7]. Это было связано с ожидаемым ростом цен на уран-235 и опасениями по поводу опасности плутония для здоровья. Торий встречается в земной коре в два-три раза чаще урана.

В 1956 году Шультену поручили разработать атомную электростанцию для коммунального энергетического предприятия Stadtwerke Düsseldorf. Технический директор предприятия Вернер Каутиус требовал создать станцию с КПД и доступностью на уровне электростанций на ископаемом топливе.

Шультен предложил высокотемпературный реактор (ВТР) в виде реактора с шаровой засыпкой, использующего графитовые сферы в качестве матрицы тепловыделяющих элементов и замедлителя, а гелий — в качестве теплоносителя. Идея такого реактора была предложена Фаррингтоном Дэниелсом в 1940-х годах. Шультен ознакомился с ней во время визитов к Элвину Вайнбергу в Национальную лабораторию Ок-Ридж.

В 1957 году Каутиус одобрил предложение Шультена. В 1959 году компания Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor GmbH поручила BBC-Krupp-Reaktorbau GmbH строительство атомной электростанции с реактором с шаровой засыпкой мощностью 15 МВт.

Шультен отвечал за планирование (с 1957 года) и строительство (с 1959 по 1964 год) экспериментальной атомной электростанции AVR в Юлихе. Станция была введена в эксплуатацию в 1967 году. AVR использовался для испытания принципа шаровой засыпки и тестирования тепловыделяющих элементов^[8][9][10]. До вывода AVR из эксплуатации в 1988 году Шультен оказывал научное влияние на её работу. По его инициативе с 1974 года реактор работал с температурой гелия на выходе 950 °C^[11].

С 1962 года Шультен занимался созданием крупного прототипа реактора с шаровой засыпкой. Его работа привела к строительству прототипного реактора THTR-300 мощностью 308 МВт в Шмехаузене (Северный Рейн-Вестфалия). Владельцем и оператором станции была компания Hochtemperatur-Kernkraftwerk GmbH (HKG).

Шультен и его институт участвовали в физическом и техническом проектировании THTR. В реакторе испытывались крупные компоненты, такие как корпус реактора из предварительно напряжённого железобетона. THTR начал поставлять электроэнергию в сеть в 1985 году, но был выведен из эксплуатации в 1989 году после трёх лет работы. THTR и реактор на быстрых нейтронах в Калькаре считались флагманами западногерманских реакторных исследований в 1970-х годах, но оба проекта потерпели неудачу^[12].

Шультен разрабатывал концепции использования высокотемпературного тепла от реактора с шаровой засыпкой для переработки бурого и каменного угля, биомассы в газ, а также для термохимического производства водорода из воды^[13]. Он предложил покрывать потребности в энергии при газификации угля и биомассы за счёт тепла реактора (проект «Ядерная газификация»).

Шультен также разработал технологию преобразования ядерной энергии в химическую энергию газа для её транспортировки и хранения (проект «Ядерная дистанционная энергия»)^[14]. До 1989 года он был активным членом руководящего комитета этих проектов. По его инициативе были созданы экспериментальные установки для газификации угля, транспортировки энергии с помощью газа и производства топлива из природного газа^[15].

Шультен инициировал создание специального исследовательского направления Немецкого научно-исследовательского общества по использованию технологического тепла высокотемпературных реакторов для производства водорода^[16]. Он разработал концепцию реактора PR 500 тепловой мощностью 500 МВт, способного достигать температуры гелия на выходе 1000 °C^[17][18].

Шультен разрабатывал концепции подземного строительства и эксплуатации атомных электростанций с реакторами с шаровой засыпкой. Он проектировал когенерационные электростанции для централизованного теплоснабжения, химической промышленности, опреснения морской воды и добычи нефти. В начале 1970-х годов участвовал в разработке высокотемпературного реактора с гелиевой турбиной в замкнутом цикле (проект HHT)^[19]. В 1970 году предложил разработать инструменты прикладного системного анализа для оценки возможностей использования ядерной энергии.

Главным принципом планирования Шультена было размещение реактора и гелиевого контура в корпусе под давлением, представляющем собой закрытую систему. Он подчёркивал хорошие характеристики безопасности реактора с шаровой засыпкой, обусловленные термической нечувствительностью тепловыделяющих элементов благодаря керамическому покрытию топливных частиц^{[20][21][22][23]}. Шультен рассматривал эти частицы как мини-контейнменты. Он предложил отводить остаточное тепло от элементов за счёт излучения и теплопроводности, а не активного охлаждения, чтобы исключить расплавление активной зоны. Эти идеи были реализованы в проекте модульного высокотемпературного реактора мощностью 200 МВт^[24][25][26].

В 1970-х годах Шультен исследовал варианты загрузки и обогащения топлива для достижения высокого выгорания, включая однократную загрузку с низким обогащением (принцип OTTO)^[27][28][29]. Это позволяло снизить затраты на обращение с отработавшим топливом и исключить его использование для создания ядерного оружия.

Исследования Шультена способствовали накоплению знаний по физике и технике ядерных реакторов, материаловедению и технологиям высокотемпературных процессов. В разработке реактора с шаровой засыпкой участвовали учреждения и компании из нескольких европейских стран при поддержке Евратома.

Шультен установил стандарты в дискуссии о безопасности ядерной энергии, требуя создания реакторов, в которых выброс радиоактивных веществ невозможен^[30].

Шультен реализовал проекты экспериментальной станции AVR и прототипной станции THTR. Однако довести технологию до коммерческой зрелости не удалось. Энергетические компании Германии предпочли легководные реакторы из-за их более низких капитальных затрат^[31]. Проблемы с эксплуатацией THTR-300 и его раннее закрытие привели к снижению интереса к высокотемпературным реакторам. Коммерческая демонстрационная станция так и не была построена^[32][33]. Тем не менее, идеи Шультена послужили основой для дальнейших разработок^{[18][34][35][36]}.

Шультен доказал возможность использования высокотемпературного тепла и электричества от реактора с шаровой засыпкой для газификации угля и расщепления метана. Однако прототипные установки не были реализованы из-за неготовности угольной и газовой промышленности инвестировать в них.

Шультен отмечал, что проблема высокоактивных отходов связана с их качеством, а не количеством, из-за высокой плотности ядерной энергии. Он предлагал комбинировать химическую переработку с физическими процессами скалляции и трансмутации для легководных реакторов. Для реакторов с шаровой засыпкой он считал возможным прямое захоронение отработавших графитовых сфер в глубоких геологических формациях без предварительной обработки.

После остановки AVR и THTR Шультен консультировал проекты за пределами Германии. Он консультировал специалистов в Китае, где в конце 1990-х годов был построен тестовый реактор HTR-10, а в 2012 году началось строительство двухблочной станции HTR-PM^[37][38][39]. С 1982 года он информировал ЮАР о реакторах с шаровой засыпкой. В 1990-х годах в ЮАР разрабатывался проект PBMR, который был закрыт в 2010 году.

Шультен руководил подготовкой около 400 дипломных работ и 300 диссертаций, посвящённых техническим, физическим и экономическим аспектам использования ядерной энергии.