Энергия атома - Поступь атомной энергетики

ПОСТУПЬ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
КАК ДОЛГО ЕЩЕ БУДУТ ЛЮДИ ТОПИТЬ ПЕЧИ ДЕНЬГАМИ?

Несмотря на непрерывное строительство гигантских гидроэлектростанций и огромные гидроэнергетические ресурсы, подавляющая часть всего добываемого в стране угля, торфа, нефти, горючих сланцев и природного газа все еще сжигается в топках тепловых электростанций. Вместе с топками паровозов и всевозможных печей беспощадный огонь пожирает свыше 90% всей годовой добычи топлива.
Пока все эти вещества считались только топливом, ученые и инженеры были относительно спокойны. Главной их заботой было как можно больше добыть нефти, угля и других горючих ископаемых и как можно лучше их израсходовать. Они не могли мириться лишь с тем, что самый совершенный паровоз только 6—8% из сжигаемого им топлива обращает на полезную работу, а 92—94% его буквально вылетает в трубу. А самая совершенная тепловая электростанция проделывает это с 65—70% топлива.
Однако в начале XX века это и без того довольно печальное обстоятельство еще больше усложнилось. Химическая наука сделала столь большие, важные и далеко идущие шаги, что сейчас приходится в корне пересматривать вопрос о том, так ли рационально и по-хозяйски мы обращаемся с многочисленными дарами щедрой природы.
То самое топливо, которое мы так нерасчетливо сжигаем, будь то простые дрова или нефть, содержит в себе исключительно ценное сырье, остро необходимое для большинства отраслей народного хозяйства страны. Стоимость продуктов, которые можно теперь вырабатывать и извлекать из ископаемых горючих, в сотни, а то и тысячи раз превышает стоимость их как топлива. Только из одного каменного угля можно добывать такие ценные вещества, как бензин, спирт, каучук, смазочные масла, искусственное волокно, пластические массы, лекарства, взрывчатые вещества. И этот список ежедневно пополняется все новыми и новыми названиями.

Так расходуется топливо в паровозе и на тепловой электростанции.
Великий русский ученый Д. И. Менделеев как-то, приводя данные о ценности продуктов, содержащихся в нефти, сказал, что сжигание нефти в качестве топлива равноценно топке печей ассигнациями. Поэтому в будущем эти важнейшие для человека источники сырья, безусловно, будут использоваться по их прямому назначению, вместо того чтобы расточительно сжигаться. А топлива всех видов во всем мире добывается ежегодно не менее 5—6 миллиардов тонн!
Открытие атомной энергии в корне изменило направление главного развития энергетики человеческого общества будущего, ведущее одновременно и к резкому увеличению его сырьевых ресурсов как за счет чисто химического использования почти всех видов топлива, так и за счет не менее удивительных достижений самой химии, особенно химии органических веществ.

ПАРОВОЙ КОТЕЛ И ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР

 Общее количество энергии, выделяющейся при расщеплении ядра атома урана-235, измеряется приблизительно 200 Мэв.
ЭНЕРГИЯ ДЕЛЕНИЯ U-235≈200 Мэв

Сколько энергии выделяется при делении ядра атома урана-235 и с каким излучением она уносится.
Из них 162 Мэв, то есть более 3/4 всей энергии, уносятся двумя осколками, с огромной скоростью разлетающимися в разные стороны. Поэтому на данной стадии наших знаний в области ядерной энергетики и оказалось наиболее целесообразным использовать ядерную реакцию в первую очередь как источник тепла.
Если ядерный реактор предназначен для мирного использования, например для производства электроэнергии, то ни один научно и технически мыслящий человек, раз атомная энергия оказалась в его распоряжении, не согласится расточительно расходовать ее на установках, менее совершенных, чем существующие. Наоборот, новая наука и техника требуют и столь же передовых средств преобразования энергии. А соревноваться приходится с весьма эффективными установками, ибо к. п. д. современных паровых турбин, работающих на перегретом до температуры 600—650° паре и давлениях до 300 атм, достигает 38—41 %.
И поскольку ядерный реактор вступает с такой турбиной в соревнование как своеобразный паровой котел, он должен обладать характеристиками хотя бы не ниже тех, которых современная техника позволяет добиваться от паровых котлов.
Однако при попытках использовать реактор в качестве источника тепла для паросиловых установок встречается целый ряд принципиальных трудностей.
Паровой котел специально и конструируется, чтобы выдерживать развивающиеся в нем огромные давления. Внутри же атомного реактора очень высокое давление недопустимо, так как приспособить его для этой цели сложно и трудно.
В отличие от парового котла, реактор может развивать любую мощность, но только при условии, чтобы все образующиеся при этом огромные количества тепла немедленно отводились из него. В противном случае в каком-то узле реактора произойдет местный перегрев, вследствие которого расплавятся урановые стержни или их оболочки. Реактор будет заражен радиоактивными продуктами распада и выйдет из строя.
У парового котла поверхность соприкосновения нагреваемых деталей с охлаждающей их средой может быть, как угодно увеличена. Рабочая зона, нагревающаяся при работе реактора, невелика, и увеличить поверхность соприкосновения ее с охладителем затруднительно, а в ряде конструкций реакторов и невозможно.
Обе эти неприятности, возникающие вследствие необходимости создавать внутри реактора высокое давление и высокую температуру, предъявляют совершенно особые требования как к конструктивным элементам, из которых строится сам реактор, так и к веществам, при помощи которых он должен охлаждаться.
Какой же выход в этом случае может предложить техника?

Площадь нагрева парового котла во много раз превышает поверхность соприкосновения рабочей зоны ядерного реактора с охлаждающей средой.
Можно ли, не создавая внутри реактора слишком высоких температур и особенно высоких давлений, сравнять его по эффективности действия с современными паровыми котлами?
К решению этой задачи можно следовать двумя путями: применяя новые, жаростойкие и жаропрочные материалы (сплавы с цирконием, титаном и др.), тщательно продуманную конструкцию и другие усовершенствования, создать такой реактор, внутри которого температура достигает 450—500°, а может быть, и выше. Для этого охлаждающую реактор воду, чтобы она не вскипала, приходится подавать в него под давлением 100 и больше атмосфер.
Другой путь, не менее трудный, связан с рядом обстоятельств интересных и заманчивых. Чтобы успешно отводить огромное количество тепла, обычных приемов охлаждения при помощи струи охлаждающего газа или потока воды оказывается уже недостаточно.

Так выглядят некоторые минералы, содержащие уран: а — уранит из Конго; б — черный и желтый карнотит, содержащийся в песчанике; в — канадский уранит, находимый в известняке; г — в тиглях образцы различных концентратов урановой руды. Слева — типичный образец разреза урановой жилы, содержащей одновременно различные виды урановой руды.

1. Механизм поглощения излучения квантов энергии атомами вещества. При поглощении фотона атомом вещества его электрон перескакивает с ближней на более далекую от ядра орбиту. Благодаря этому атом становится возбужденным. Спустя ничтожно малый промежуток времени электрон возвращается с удаленной орбиты на более близкую, вследствие чего атом излучает полученную энергию обратно в виде кванта света. Такой обратный переход электрон может совершить не в один, а в два или большее число приемов, каждый раз излучая энергию в виде квантов света того или иного цвета, соответствующих уровню энергии той промежуточной орбиты, на которой временно задерживается электрон.
2. Метод «меченых» атомов использует свойство различных радиоактивных элементов скапливаться в определенных частях человеческого организма (в костях, крови, печени, железах внутренней секреции).

Примерное устройство блока атомной электростанции мощностью 200 тысяч киловатт.

В ряде современных реакторов в качестве теплоносителя с каждым годом все больше и больше применяют жидкие металлы: ртуть, натрий, калий и др. Жидкий натрий, например, кипит при температуре 880°. Это значит, что тепло от реактора можно отводить с помощью жидких натрия и калия, находящихся под давлением, не превышающим обычного атмосферного. Нагретая до такой температуры вода, превратившись в пар, развила бы давление порядка 160 атм.
Теплоотдача у жидких металлов значительно выше, чем у водяного пара. Они значительно меньше поглощают нейтроны, и, кроме того, благодаря высокой теплопроводности объем жидкого металла, потребного для охлаждения реактора, может быть во много раз меньше, чем при использовании воды.
Следовательно, охлаждение реактора жидкими металлами позволяет в принципе резко поднять рабочую температуру внутри реактора и получить к. п. д., уже сравнимый с к. п. д. современных паровых котлов.
Однако практически создать конструкцию реактора, выдерживающую даже те температуры, которые способен отвести от него жидкий металл, и избежать при этом еще более высоких местных перегревов отдельных деталей исключительно трудно.
Существует и еще одно очень важное затруднение. Известно, что коррозия металлов и многих других материалов резко усиливается при высоких температурах. Под действием же радиоактивных излучений эти процессы для ряда материалов катастрофически ускоряются.
Есть материалы и сплавы весьма стойкие против действия радиоактивных излучений и высоких температур, но, к сожалению, они сильно поглощают нейтроны и оказываются малопригодными при конструировании реакторов.

Что происходит при кипения жидкого металла и води, нагретых до одинаковой температуры — 880 С.

В чем заключаются главнейшие преимущества размещения атомных электростанций.
Можно было бы привести еще много больших и малых затруднений и препятствий, лежащих на пути создания атомных силовых установок.
Посмотрим теперь, какими принципиальными преимуществами обладала бы электростанция на ядерной энергии по сравнению с обычной тепловой.
В первую очередь отпала бы необходимость ежедневно подвозить к ней несколько эшелонов с углем и увозить обратно не менее четверти этого количества в виде золы и шлака.
Вместо 1000—1500 т угля в день атомная электростанция мощностью 100 тысяч киловатт расходует всего лишь 200—250 г урана-235, который легко умещается в столовой ложке. Годовой запас горючего для такой станции может быть доставлен на небольшом грузовике или самолете.
Следовательно, атомная электростанция может совершенно не зависеть от существующей сети путей сообщения, к ней не надо вести специальных железных дорог. Практически она может быть установлена в любом месте, где есть необходимость в таком источнике энергии.
Атомной электростанции не требуется мощное воздушное дутье, необходимое на обычной тепловой станции для усиления горения топлива. Она не загрязняет воздух копотью и дымом, не берет из атмосферы живительный кислород.
Атомная электростанция может быть полностью автоматизирована и работать без обслуживающего персонала.

ПЕРВАЯ В МИРЕ

27 июня 1954 года — знаменательный день в истории ядерной энергетики. В этот день весь мир облетело сообщение Советского правительства о том, что в СССР впервые в мире начала давать ток электростанция, работающая за счет энергии расщепления ядер атомов урана.
Это сообщение с большим удовлетворением было встречено прогрессивным человечеством, видящим в нашей стране последовательного и неустанного борца за безоговорочное запрещение применения атомного, водородного и других видов оружия массового уничтожения людей.
Наш народ, строящий коммунистическое общество, первый показал человечеству правильный путь использования нового источника энергии в мирных целях, не на зло, а на благо всех людей.
Мы переступаем порог первой в мире атомной электростанции. Скромное белое трехэтажное здание, расположенное в глубине тихого, густого хвойного леса, похоже скорее на лесную детскую школу или больницу, чем на электростанцию. Только высокая труба напоминает, что это какое-то, видимо, промышленное сооружение.

Первая в мире атомная электростанция.
И хотя мы знаем, что это электростанция, непрерывно посылающая по проводам окружающим колхозам, городам и промышленным предприятиям свои пока еще скромные 5000 квт энергии, нигде не видно подъездных железнодорожных путей, грузовых автомашин, кранов, эстакад.
Ничего! Электроэнергия вырабатывается за счет непрерывного деления атомов урана-235. Суточный расход этого топлива... 30 г! Если бы электростанция работала на самом лучшем угле, то его требовалось бы не менее 100 т в сутки.
И здесь мы ловим себя на слове «скромные» 5000 квт. Мы, привыкшие к мощностям возведенных и возводимых советскими людьми электростанций — 640 000, 1 000 000, 2 100 000, 3 200 000, 5 000000 квт, — уже считаем мощность 5000 квт маленькой.
Действительно, двигатель такой мощности ставится теперь на небольшой самолет. 4000 лет назад, чтобы развить подобную мощность, египетским фараонам надо было согнать в упряжки 100 тысяч рабов. В средние века пришлось бы запрячь 10 тысяч лошадей. Весь парусный флот в период господства Британии на морях не развивал такой мощности.
Порог атомной электростанции советский человек переступает с вполне понятным волнением.

Схема атомной электростанции: 1 — ядерный реактор, охлаждаемый проточной водой; 2 —  теплообменник; 3 —  фильтр, задерживающий вещества, могущие стать радиоактивными, если они попадут в реактор; 4 — паровая турбина; 5 —  генератор тока; 6 — конденсатор пара; 7 — деаэратор — устройство, устраняющее воду из пара; 8 — пусковой конденсатор; 9 — резервный конденсатор; 10 — насосы.
Первая в мире!
Главное, что бросается в глаза на атомной электростанции, — это многочисленные средства лучевой защиты. Все рабочие помещения отделены одно от другого бетонными стенами и перегородками, толщине которых могли бы позавидовать некоторые старинные крепости. Двери в них напоминают двери самых прочных банковских сейфов. Даже коридоры вблизи «сердца» станции — реактора — устроены зигзагообразно, вроде окопов и ходов сообщения. Куда бы ни прорвались невидимые и смертельно опасные гамма-лучи, всюду на их пути встанут защитные бетонные преграды.

Главная деталь сложного «организма» станции — тепловыделяющий элемент с ураном, охлаждаемый проточной водой.
Ядерный реактор расположен в обширном зале, вернее, под полом зала, в который выходит только его верхняя защитная крышка.
Реактор работает на медленных (тепловых) нейтронах, замедляемых графитом. Его активная зона представляет собой вертикальный цилиндр диаметром 1,5 и высотой 1,7 м, выложенный из плотно подогнанных один к другому графитовых блоков. Этот цилиндр, в свою очередь, заключен в толстую сплошную графитовую оболочку — отражатель нейтронов.
Графитовый цилиндр реактора в вертикальном направлении пронизан отверстиями, расположенными на строго определенном расстоянии одно от другого. В 128 из них вставляют сверху так называемые рабочие стержни: длинные, сложенные вдвое трубки с двойными стенками, между которыми размещается уран. Через внутреннее сквозное отверстие, проходящее по всей длине трубки, протекает охлаждающая вода.
Каждый рабочий стержень, после того как он вставлен внутрь реактора, соединяют с входным и выходным коллекторами, по которым вода поступает к стержням и отводится от них.
Часть других отверстий в реакторе предназначена для введения в них на любую требуемую глубину пластин, регулирующих ход реакции, а также для двух аварийных пластин, спускаемых в экстренных случаях для остановки реактора.
Введение рабочих стержней и их извлечение из реактора производится с помощью специального подвижного подъемного крана, установленного в зале над реактором.
Рядом с этим залом находится помещение, в котором вдоль стен подвешено большое количество запасных стержней, рассчитанное на полугодовую работу станции. Вследствие малой радиоактивности природного урана они совершенно безопасны — с ними можно работать, не прибегая к мерам защиты.
Для того же, чтобы извлечь отработавший стержень, приходится принимать особые меры предосторожности, так как он содержит опасные для людей сильно излучающие осколки деления. Рабочие только прикрепляют крюк подъемного крана к верхнему держателю стержня и сразу удаляются из помещения.
Дальше работает автоматика. Сначала из реактора появляется верхняя, безопасная часть стержня, затем уже нижняя — «горячая», длиной 1,5 м, излучающая огромное количество опасных гамма-лучей. Радиоактивность, исходящая от такого стержня, равна радиоактивности 10 кг чистого радия.
Поэтому извлечение стержней из реактора производят при помощи телемеханических устройств. Даже наблюдение за этим процессом приходится вести из-за толстой бетонной стены, через окно, закрытое не менее толстым стеклом, сделанным из вещества, задерживающего гамма-лучи.
Но отработавший стержень нужно как можно скорее заключить в безопасную «темницу». Как только он извлечен из реактора, его немедленно переносят в специальное помещение и опускают в глубокий бассейн с водой, где он пробудет в течение года — до тех пор, пока не распадутся самые «горячие» продукты распада урана-235, излучающие сильные и проникающие гамма-лучи. Лишь после этого можно направлять стержень на переработку — на извлечение из него образовавшегося плутония и продуктов распада.
В ряд других отверстий, проходящих через реактор, помещают специальные измерительные приборы, определяющие плотность потока нейтронов внутри реактора. Выходные сигналы этих приборов соединены со специальными устройствами, управляющими движением контрольных стержней таким образом, что, когда поток нейтронов усиливается, они вводят эти стержни в реактор глубже, и скорость цепной реакции уменьшается. Когда же поток нейтронов ослабевает, стержни немного выводятся из реактора.
Весь реактор, включая и графитовый отражатель нейтронов, заключен в стальной цилиндр, который вместе с дном и верхней крышкой, сделанными из толстых стальных плит, образует еще одну герметическую оболочку этого источника энергии. Внутрь этой оболочки нагнетается инертный газ, препятствующий окислению отдельных узлов реактора под действием излучений.
Как известно, в природном уране содержится всего 0,7% делящегося изотопа. Работа реактора на таком количестве урана-235 не позволяла бы развить требуемую мощность и, кроме того, вызывала бы необходимость слишком частой смены рабочих стержней.
Поэтому в реактор вводят не обычный, а обогащенный уран. В нем содержание изотопа урана-235 достигает 5%. Благодаря такому обогащению стержни приходится менять в среднем лишь через каждые 100 дней. Общее количество урана, одновременно загружаемое в реактор, составляет около 550 кг.
Реактор окружен мощной биологической защитой, предохраняющей персонал станции от облучения. Эта защита состоит из слоя воды толщиной 1 м, предназначенного в основном для захвата нейтронов, некоторое количество которых все же проникает даже сквозь отражатель; из бетонных стен толщиной 3 м, поглощающих главным образом гамма- лучи; из слоя чугунных плит толщиной 25 см, уложенного поверх реактора и поглощающего гамма-лучи, идущие в вертикальном направлении.
Однако охрана здоровья персонала не ограничивается защитой в виде бетонных стен, водяных рубашек и стальных оболочек. На станции действует хорошо налаженная служба безопасности. Вокруг реактора и во всех других рабочих помещениях установлено множество ионизационных камер, все показания которых подводятся к специальному центральному щиту службы дозиметрии.
Дежурный инженер-дозиметрист по показаниям приборов оценивает степень радиоактивного загрязнения воздуха в любом контролируемом аппаратурой помещении и количество проникающей туда радиации. Он тут же отдает соответствующие распоряжения, увеличивает вентиляцию воздуха и удаляет из ставшего опасным помещения людей на столько времени, пока там не установится безопасная доза ионизации.
Но дотошным врачам и инженерам дозиметрической службы и этого мало. Каждый работник станции имеет индивидуальный дозиметр — приборчик, напоминающий авторучку или небольшую пудреницу. В него закладывают особо чувствительную к гамма-лучам фотопленку. Каждые четыре дня эту пленку проявляют и степень ее почернения сравнивают с точно проверенными и проградуированными эталонами (образцами). Если, например, уже ко вторнику она показывает, что работник где-то получил всю положенную еженедельную, пока еще безопасную, дозу облучения, установленную советскими врачами после длительных и тщательных исследований, то до следующего вторника ему запрещается показываться у реактора, а вся команда дозиметристов приступает к поискам щели, откуда проникает опасное излучение. Правда, таких случаев в истории советской атомной энергетики еще не зарегистрировано, но все равно бдительность врачей исключительно велика.
Самое сложное в атомных реакторах — передача тепла к паровой турбине. Как это осуществляется на первой советской атомной электростанции?
Проходя через реактор и облучаясь мощным потоком нейтронов, вода становится сильно радиоактивной, вследствие чего невозможно непосредственно использовать ее пар и посылать его в турбины.
Поэтому на атомной электростанции вода, отводящая тепло от реактора, хотя и нагревается до 270°, но не кипит и в пар не превращается, так как давление ее достигает 100 атм. Она циркулирует в короткой замкнутой системе, называемой первым контуром. Он объединяет реактор, мощные насосы и парогенератор, иначе называемый теплообменником.
Парогенератор — это прочный паровой котел, внутри которого проходит змеевик, нагреваемый до высокой температуры прогоняемой через него водой первого контура.
Вода, поступающая непосредственно в теплообменник, циркулирует уже по второму, тоже замкнутому контуру. Соприкасаясь с раскаленным змеевиком первого контура, эта вода превращается в пар высокого давления, который приводит в движение паровую турбину, вращающую генератор электрического тока.
Главной особенностью теплообменника является то, что вода первого контура нигде не соприкасается непосредственно с водой второго контура и не передает ей своей радиоактивности, то есть пар, выходящий из теплообменника, совершенно безопасен и не нуждается ни в какой защите, так как он ничего не излучает.
Обойдя змеевик теплообменника, вода первого контура остывает до 190° и затем снова поступает в реактор. Делается это с умыслом. Вода, нагретая выше 100°, способна поглощать и отводить тепло лучше, чем самая холодная вода.
Во втором контуре вода циркулирует уже под давлением 12,5 атм, благодаря чему в теплообменнике она обращается в пар, имеющий температуру 235—250°. Этот пар и поступает в турбину.
На атомной станции установлены четыре таких парогенератора (один из них резервный). Поскольку в парогенераторы поступает вода, зараженная радиоактивностью, насосы и подходящие к ним со стороны реактора трубопроводы защищены так же, как и сам реактор.
Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор, где, охладившись, превращается в воду. С помощью своей отдельной системы насосов и по отдельному трубопроводу вода возвращается в теплообменник на последующее испарение, продолжая, таким образом, циркулировать непрерывно.
Вода первого контура тщательно очищается от примесей, так как именно они являются главным источником радиоактивности облученной нейтронами воды.
Если реактор по праву можно назвать «сердцем» атомной станции, то центральный пульт управления — ее «мозг». Из этого командного пункта осуществляется управление всеми участками сложного процесса преобразования атомной энергии в электрическую.
Специальные индикаторы непрерывно следят за всем ходом работы атомного реактора и других частей электростанции и чутко реагируют на малейшие отклонения от заданных условий. Многочисленные световые и звуковые сигналы показывают, что случилось, и одновременно дают знать, отчего произошло то или иное нарушение работы реактора и остальных узлов станции. Тотчас же с помощью автоматических устройств отклонение ликвидируется. Что бы ни случилось на станции, ни на секунду не изменяется ее мощность. И всем этим сложным хозяйством управляют два инженера.
Устройство атомной электростанции постепенно упрощается. Многие страхи и сомнения отпали в самом начале. Многим предстоит исчезнуть в будущем. Новый источник энергии, превосходящий все, что когда-либо было открыто или использовано человеком за века его существования, уже прочно вошел в нашу жизнь.

НОВЫЕ ИДЕИ

Советская атомная станция мощностью 5000 квт не являлась только промышленной установкой. Она была сконструирована в первую очередь для того, чтобы наглядно продемонстрировать принципиальную научную и техническую возможность и бесспорную целесообразность преобразования ядерной энергии в электрическую. Это была скорее творческая лаборатория для накапливания опыта, необходимого для решения множества практических, эксплуатационных задач и проблем экономики — выгодны или невыгодны атомные электростанции по сравнению с существующими ныне тепловыми и гидроэлектростанциями.
Опыт работы полностью оправдал надежды ученых. Станция со дня ее пуска не имела ни единой сколько-нибудь серьезной аварии, ни единого несчастного случая с обслуживающим персоналом.

Как изменяется стоимость выработки электроэнергии тепловыми и атомными электростанциями в зависимости от их мощности (в условных единицах).
Реальность и техническая возможность длительного производства электричества при помощи энергии деления атомов оказались убедительно доказанными.
Стоимость электроэнергии, получаемой от первой атомной электростанции, как и предполагалось, оказалась в несколько раз выше стоимости электроэнергии, вырабатываемой тепловыми станциями. Однако это обстоятельство объясняется главным образом одной причиной — относительно малой мощностью этой станции. По мере повышения мощности атомных электростанций эта разница постепенно уменьшается, а при достижении мощности 400—600 тысяч киловатт почти целиком уравнивается. То есть к атомным станциям применим общий закон — чем больше энергетическая мощность электростанции, тем дешевле стоит единица вырабатываемой ею электроэнергии. При еще большей мощности атомная электроэнергия должна быть дешевле тепловой.
Какие же технические усовершенствования и нововведения в конструкции ядерных реакторов и атомных электростанций можно ожидать в ближайшем будущем?
Остановимся на наиболее интересных и важных идеях в этой области.
Мы уже говорили о недостатках схемы атомной электростанции, у которой отсутствует теплообменник: присутствие кипящей воды и пара высокого давления внутри реактора, необходимость пропускания сильно зараженного радиоактивностью пара через турбину станции и все остальные узлы,
необходимость, в связи с этим сооружать дополнительные средства защиты вокруг этих агрегатов, затруднения в их обслуживании и т. д. Однако такая схема имеет и ряд преимуществ. Для сравнения обе схемы станций — с теплообменником и без него — приведены на рисунке (стр. 237).
Выходная мощность станции взята одинаковой—135 тысяч киловатт при к. п. д., равном 27%.
А каковы преимущества? Прежде всего, у станции с прямой схемой значительно меньше отдельных агрегатов.
В прямой схеме реактор при температуре воды 250° должен быть рассчитан на давление 100 атм, а в реакторе с теплообменником — за счет потерь тепла в нем — температура пара должна быть повышена до 300°, давление до 200 атм.
Мощность, расходуемая насосом на движение охлаждающей воды из конденсатора турбины через реактор в количестве примерно 25 тысяч литров в минуту, составляет около 1350 квт, или 1% от мощности генератора.
В схеме с теплообменником, помимо указанных 1350 квт, расходуемых на движение теплоносителя во второй цепи, требуется еще мощность порядка 6750 квт, или 5%, для поддержания движения воды, отводящей тепло от реактора в теплообменник. 1% расхода энергии на собственные нужды станции при прямой схеме и 6% при схеме с теплообменником.
Разница достаточно большая, чтобы не отказываться от прямой схемы, несмотря на ряд ее недостатков. Да и недостатки ее не так уж непреодолимы, как это могло бы показаться с первого взгляда.
Успехи механики и телемеханики позволяют вести управление современной электростанцией на расстоянии без непосредственного участия людей.
Разработаны и непрерывно создаются новые жаростойкие и жаропрочные сплавы и материалы, устойчивые против коррозии, ускоренной сильной радиоактивностью пара, приводящего в движение турбину. А этот пар проходит еще и через конденсатор и главную насосную установку станции.
Несколько слов о так называемой наведенной радиоактивности.
Вода или пар, так же, как и другое любое вещество, во время нахождения внутри реактора подвергается воздействию исключительно мощного потока нейтронов.
Ядра атомов элементов, из которых состоит вода, главным образом кислород, а также всегда присутствующие незначительные примеси в ней, поглощая нейтроны, становятся искусственными радиоактивными изотопами. Распадаясь, они излучают бета-частицы и гамма-лучи.

Некоторые рабочие характеристики атомной электростанции одной и той же мощности в зависимости от того, имеет она теплообменник или нет.
Для того чтобы в подавляющем большинстве облучаемых веществ могла возникнуть вторичная, так называемая наведенная, радиоактивность, энергия воздействующих на них гамма-лучей должна быть не менее 8 Мэв. Такой энергией гамма-лучей не обладает ни один из известных естественных или искусственных радиоактивных элементов. Поэтому защита силовой части станции должна предусматривать только радиоактивность теплоносителя, а в случае выключения его из работы — радиоактивность остатков воды и пара, скопившихся или просочившихся в различных участках схемы.

В чем преимущества охлаждения ядерных реакторов жидкими металлами.
Тем не менее приходится окружать бетонной защитной стеной не только реактор, но и турбину, конденсатор, насос и всю систему трубопроводов. В ряде случаев этот недостаток и ограничивает применение таких установок.
В современных высокопроизводительных котлах все чаще и чаще начинают вместо воды применять ртуть, натрий, калий, смесь натрия и калия и другие металлы в жидком виде.
О причинах этого мы уже говорили.
Вот примерные сравнительные характеристики жидкого натрия и воды, применяемых для охлаждения реакторов:

Но при конструировании таких реакторов возникает множество дополнительных технических трудностей.
Например, жидкий натрий, нагретый до очень высокой температуры, трудно удержать в системе труб, по которым он циркулирует. Трубы расширяются, соединения могут начать пропускать натрий наружу, а даже малейшее его количество при соединении с влажными материалами вызывает разрушительный взрыв. К таким же результатам приводит и попадание воды в жидкий натрий. Кроме того, раскаленный жидкий натрий вызывает быструю коррозию труб и металлических деталей, с которыми он соприкасается. А в огромной по общей протяженности цепи трубопроводов может появиться достаточно слабое или просто ненадежное звено.
Существуют и еще более сложные специфические трудности, на которых мы останавливаться уже не будем.
Большой интерес представляют собой реакторы, в которых в качестве замедлителя, а во многих случаях и теплоносителя используется обычная вода.
Такие реакторы имеют большое будущее.
Из числа конструкций реакторов с тяжелой водой следует особо выделить гомогенный «кипящий» реактор, в котором уран растворен в тяжелой воде. Такой реактор обладает рядом преимуществ, делающих его весьма перспективным.
В конечной стадии производства металлический уран получается путем довольно сложного процесса восстановления его из окиси со столь же сложным последующим процессом очистки металла от остатков вредных примесей.
Для работы гомогенного реактора не нужно получать металлическим уран, так как окись урана сравнительно легко растворяется в тяжелой воде. А это намного удешевляет стоимость производства и уменьшает потери урана на «угар» при переплавке металла.
После того как уран-235 в ходе работы гомогенного реактора выгорает, все жидкие и газообразные шлаки — продукты его распада—переходят в тяжелую воду, откуда их несравненно легче извлечь и удалить, чем из слитков металлического урана.

Схема реактора с непрерывным удалением продуктов деления.

И, наконец, очень важное обстоятельство: реактор можно сконструировать так, чтобы раствор урана в нем непрерывно циркулировал. В то время как часть его работает в реакторе, другая часть одновременно проходит процесс очистки с добавкой в него свежих порций урана-235 и с извлечением образовавшегося плутония. Это исключительно важно, когда может потребоваться длительная работа реактора на высоком уровне мощности, например в качестве двигателя космического корабля.
Высказываются идеи о возможности создания новой, несколько необычной схемы реактора, в которой удалось бы объединить ядерное горючее, замедлитель и теплоноситель, сохраняя в то же время все преимущества, которые представляет собой жидкость для извлечения из нее продуктов распада. Схема такого реактора показана на рисунке.
Одна из солей урана растворена в жидком висмуте, который почти не поглощает нейтронов. Эта смесь непрерывно циркулирует по замкнутому кольцу сквозь реактор, теплообменник, насосы и установку, в которой производится очистка смеси от продуктов распада урана и образовавшегося плутония, а также добавление урана-235 по мере его расходования.
В нормальных условиях никакой ядерной реакции в смеси на всем пути ее движения, кроме реактора, не происходит. Нейтроны, которые могли бы образоваться при самопроизвольном делении сравнительно небольшого числа ядер урана-235, будут беспрепятственно улетучиваться из смеси, так как на этих участках нигде нет ни замедлителя, ни отражателя нейтронов, и смесь в смысле самопроизвольного наступления реакции и тем более взрыва совершенно безопасна.
Но вот смесь попадет внутрь реактора. Он окружен со всех сторон отражателем нейтронов, немедленно прекращающим их утечку из смеси урана и висмута. Множество каналов, по которым с большой скоростью протекает смесь, окружены замедлителем нейтронов — графитовыми блоками или тяжелой водой.
Естественно, что в этих условиях нейтроны мгновенно уменьшают свою скорость до тепловой и начинают усиленно делить ядра урана-235. Под действием разлетающихся во все стороны осколков деления смесь разогревается до 500— 800°. Но едва лишь она покидает каналы реактора, как цепная реакция в уране, взвешенном в висмуте, прекращается, и дальше до теплообменника смесь действует как теплоноситель. Отдав в теплообменнике свое тепло обмывающей его воде или другому, тоже жидкому, металлу, смесь очищается от продуктов распада и поступает снова в реактор.
Не исключена возможность, что изобретение более совершенных материалов позволит вернуться к уже окончательно, казалось бы, отвергнутым конструктивным решениям, к старым, давно проверенным теплоносителям: воде и газу, вместо поисков новых, часто очень сложных и дорогих способов отвода тепла от реактора.

КОГДА ОДНО ПОЛЕНО ПРЕВРАЩАЕТСЯ В ДВА

В детстве мы часто слышали сказку о волшебном горшочке, всегда до краев наполненном вкусной кашей, сколько бы ее ни ели. Или еще о более щедрой по разнообразию еды скатерти-самобранке. Примерно так действует и реактор, названный несклонными к сказочным названиям учеными более строго — БР-5 (быстрый реактор мощностью 5000 квт).
Разработали его лауреаты Ленинской премии, действительный член Академии наук УССР А. И. Лейпунский, профессор О. Д. Казачковский и инженер М. С. Пинкасик.
В чем же заключается его сказочность?
Предположим, вам задали вопрос: можно ли сжечь 100 кг дров или угля, произвести при помощи тепла определенную работу и вместе с тем тут же получить от печи все затраченное в ней топливо или даже несколько больше, чем было сожжено?
Пожалуй, вы тут же заподозрите в собеседнике изобретателя вечного двигателя, неудачливого автора фантастических повестей или очень уж несведущего человека. И, естественно, прочтете ему небольшую лекцию о невозможности перпетуум мобиле, о законах сохранения энергии и материи.
Однако такой печкой, выдающей обратно топливо, является так называемый размножительный, или самовоспроизводящий, ядерный реактор.
Как же это получается? Не удалось ли наконец создать вечный двигатель, только на этот раз атомный?
Создать вечный, даже атомный, двигатель, конечно, не удалось, но получать от ядерного реактора больше топлива, чем его в нем сгорает, видимо, можно. Речь идет о том, что используется в качестве ядерного топлива теперь и что можно использовать в будущем.
Мы уже говорили, что в природном уране содержится всего лишь 0,7% урана-235, который только один и может быть использован для получения цепной саморазвивающейся ядерной реакции. Остальные 99,3% приходятся на уран-238 и уран-234, которые в цепную реакцию не вступают и, по сути дела, являются балластом. Уран-235 можно либо с самого начала отделить от урана-238 и использовать по назначению или же, не прибегая к предварительному разделению, выжечь его в реакторе. Благодаря этому одновременно некоторая, очень небольшая, часть (примерно 0,3—0,5%) урана превратится в плутоний. Образующийся плутоний можно отделять от урана-238 до тех пор, пока все уменьшающееся количество вновь создаваемого плутония не превратится в нуль.
В этом случае удается сжечь уже больше, чем первоначальные 0,7% урана-235, и мы получим соответственно и большее количество энергии. Но зато после такой рационализации у нас не останется никакого плутония, который можно было бы использовать для других целей.
Опыт, приобретенный учеными в работе с реакторами, натолкнул их на смелую мысль: нельзя ли соорудить атомный реактор таким образом, чтобы при выжигании 0,7% урана-235 в плутоний превращалось не 0,3—0,5% общего количества урана-238, а те же 0,7%, а может быть, даже 1% или несколько больше?
Ведь возможность использовать весь уран-238, превращая его в плутоний, больше, чем в 100 раз увеличивает энергетические ресурсы человечества.

Схема размножительного (бридерного) реактора.

После соответствующих теоретических исследований и практических опытов оказалось, что путь к решению поставленной задачи есть.
Как может быть устроен такой размножительный реактор?
В самом центре реактора располагается строго определенное количество чистого урана-235, естественно, несколько меньше критической массы. Бурное начало ядерной реакции предотвращается достаточным количеством кадмиевых поглощающих пластин, вначале полностью введенных в урановое тело реактора.
Поскольку применяется чистый уран-235, отпадает необходимость применять какие-либо замедлители, и цепная реакция в уране осуществляется быстрыми нейтронами.
Расположение атомного горючего компактной массой позволяет эту часть реактора сделать очень небольшой, с минимальным количеством конструкционных деталей: стоек, труб, ферм и т. д., неминуемо содержащих элементы, поглощающие нейтроны.
Центральный стержень из урана-235 окружается сплошной оболочкой — «подушкой» или «одеялом» — из урана-238. Вылетающие из стержня быстрые нейтроны пронизывают эту «подушку» и, поглощаясь ядрами урана-238, превращают их в плутоний-239.
Снаружи реактор окружен обычным отражающим графитовым слоем и заключен в многометровую биологическую защиту.
Охлаждение реактора и управление его работой производятся через отверстия, проделанные в центральном стержне урана-235, «подушке» из урана-238 и в отражающем графитовом слое.
Цепная реакция в таком реакторе начинается после того, как из него извлечены контрольные кадмиевые пластины грубой регулировки и введены на определенную глубину стержни тонкой регулировки.
Бурному нарастанию реакции будет препятствовать и сам уран-238, поглощающий значительную долю размножающихся нейтронов.
Когда весь уран-235 в центральном стержне реактора расщепится, в «подушке» из урана-238 образуется несколько большее количество плутония. «Подушку» извлекают из реактора, полученный плутоний отделяют от оставшейся массы урана-238, и центральный стержень теперь изготовляют из этого вновь образовавшегося плутония. Дальше реактор работает уже на стержнях, сделанных из плутония, каждый раз накапливающегося в увеличенном количестве в наружной оболочке из урана-238.
Если в обычном реакторе из каждой загружаемой в него тонны ядерного «топлива» может быть использовано лишь 7 кг урана-235, то в реакторах на быстрых нейтронах на каждые 100 г выгоревшего урана-235 получается до 120 г нового ядерного горючего — плутония-239. А на каждые 100 г сгоревшего плутония-239 — до 150 и больше граммов нового плутония за счет превращения в него урана-238.
Через несколько таких повторных циклов количество полученного плутония удвоится. Излишек его можно перенести во второй реактор, чтобы начать в нем второй, параллельный, цикл размножения плутония. Еще через несколько циклов количество полученного плутония должно учетвериться, и его можно будет распределить на четыре реактора, и т. д.
Когда впервые был запущен такой реактор, ученые увидели чудо-печь, которая, протопившись, вместо одного сгоревшего полена выдала обратно два!

Такого не может быть! Действительно, не может быть. Но с атомной печью дело обстоит по-иному.
Два лишних «полена», естественно, получаются не из воздуха, а за счет использования урана-238, считавшегося до сих пор отходом, как считаются отходами в деревообделочном производстве кора деревьев, сучья, листва, щепки, опилки, стружки. В отходы их зачислили не из-за абсолютной невозможности использовать, а из-за временного незнания, как это сделать.
Стопроцентного использования природного урана таким способом можно добиться лишь ценой отказа от накопления плутония, ибо в реакторе он воссоздается из пепла и исчезает вновь с тем, чтобы в процессе многократного появления все время непрерывно вырабатывать энергию. Следовательно, реактор размножительного типа, требующий для своей работы непрерывного расходования плутония, идеально подходит для использования в мирных и научных целях, например в атомных электростанциях, в судовых атомных установках и т. д.
Надо только иметь в виду, что этот тип реактора находится еще в самом младенческом возрасте. Он пока сложен, капризен в работе, не все его достоинства и недостатки как следует выявлены и оценены.
Поставить на службу народного хозяйства страны установку, позволяющую сразу почти в 100 раз увеличить наши ресурсы атомной энергии — «игра, стоящая любых свеч».
Атомные размножительные реакторы с успехом могут применяться и на электростанциях, и в качестве «двигателей».
Весьма интересны и некоторые экономические расчеты. На стр. 248 приведены схемы трех различных типов реакторов, показывающие условную стоимость вырабатываемой при их помощи электроэнергии.
Первая из них изображает реактор, работающий на чистом уране-235.
Вторая схема показывает количество энергии, вырабатываемой при использовании так называемого регенеративного реактора, работающего на природном уране, в котором одновременно с делением урана-235 происходит образование из урана-238 несколько меньшего количества плутония. Мы видим, что количество получаемой энергии по сравнению с первой схемой почти утроилось.
И, наконец, на третьей схеме показано количество электроэнергии, получаемой от электростанции с реактором размножительного типа, в котором путем многократного воспроизведения удалось бы использовать весь природный уран.

Сравнительные характеристики трех главнейших видов ядерных реакторов: а — обычного; б — восстановительного; в — размножительного; справа — относительная стоимость (в процентах) получаемой при их посредстве электроэнергии.
Экономически эта схема самая выгодная. Вот почему мы говорим, что будущее атомной энергии принадлежит размножительным реакторам.

МЕЧТА РОЖДАЕТ ПЛАН, ПЛАН РОЖДАЕТ МЕЧТУ

Выдающийся деятель Коммунистической партии Советского Союза Сергей Миронович Киров любил говорить, что мечта — это черновой набросок плана. Реальная действительность нашего социалистического общества своими истоками имела мечту, воплощенную затем в научный план, неуклонно осуществляемый с невиданной в истории человечества закономерностью и точностью.
Блестящим примером этого положения является атомная энергетика. Совсем недавно — меньше 25 лет назад — высвобождение внутриядерной энергии было самой смелой, самой фантастической из фантастических и, казалось, самой безнадежной мечтой человека. Но потребовалось всего 10 лет, чтобы эта величественная мечта предстала перед людьми в форме вполне реальной атомной электростанции, введенной в эксплуатацию именно в стране, самая возможность существования которой опять-таки лишь 50 лет назад была мечтой, воплощенной в научный план и великие дела основоположников коммунизма.
Дальнейший прогресс мечты, облеченной уже плотью и кровью теории и практики, головокружительно ускоряется.
Опыт эксплуатации первой атомной станции показал, что резкое снижение себестоимости электроэнергии — ниже себестоимости энергии тепловых станций — возможно лишь в том случае, если мощность атомных электростанций достаточно велика.
В Советском Союзе построены две «крупнокалиберные» атомные электростанции: Белоярская имени И. В. Курчатова и Ново-Воронежская, первые очереди которых были введены в строй в 1964 году.
Первый блок Белоярской станции имеет мощность 100 тысяч киловатт. Впервые в мире на ней был осуществлен ядерный перегрев пара в промышленных масштабах, что позволило достигнуть к. п. д. станции порядка 35—38% — такого же, как и у самых лучших современных тепловых станций.
Схема первого блока этой станции состоит из двух контуров.
Вода первого контура под давлением 155 атм подается, как и в первой атомной электростанции, в испарительные каналы, расположенные в активной зоне реактора. Здесь она нагревается теплом делящегося урана до 340° и частично испаряется. Образующаяся пароводяная смесь (эмульсия) поступает в сепаратор, отделяющий воду от пара. Пройдя сепаратор, пар попадает в специальный испаритель (теплообменник) и там отдает свое тепло воде, циркулирующей во втором контуре, после чего возвращается обратно в активную зону реактора.
Вода второго контура, пройдя испаритель, превращается в пар с температурой 314° и давлением 110 атм. Однако этот пар направляется не в турбины, а поступает обратно в активную зону реактора в специальные пароперегревательные каналы, где его температура повышается до 480—500°. Лишь после этого пар с несколько сниженным давлением (90 атм) поступает на лопатки турбины.
Дальнейшим развитием этого типа реактора является второй блок этой же станции мощностью 200 тысяч киловатт с более простой и экономичной одноконтурной схемой.
Таким образом, полная электрическая мощность двух очередей (блоков) Белоярской АЭС будет равна 300 тысячам киловатт.
Можно ли на реакторе белоярского типа достичь мощности, сравнимой с мощностью первоклассной тепловой электростанции?
Как показывают расчеты, эта задача может быть решена, если довести температуру пара до 535—565°, а давление — до 250 атм, что позволит поднять к. п. д. АЭС выше 40%.
В том же году был введен в эксплуатацию первый блок Ново-Воронежской АЭС с электрической мощностью 200 тысяч киловатт. Реактор этой станции — водо-водяной, с плотнопрочным корпусом под давлением, то есть в нем в качестве теплоносителя и замедлителя используется вода.
Сравнительно невысокие параметры пара в этой схеме облегчают работу оборудования, и станция в целом обладает высокой степенью надежности.
После пуска второго блока Ново-Воронежская АЭС достигнет мощности 575 тысяч киловатт, а стоимость вырабатываемой ею электроэнергии значительно приблизится к стоимости электроэнергии в этом районе.
Два типа реакторов, с которыми мы познакомились, хорошо освоены в нашей стране и могут служить основой для строительства АЭС с использованием реакторов на тепловых нейтронах.
Мы уже говорили о важности создания размножительных реакторов, позволяющих использовать не 0,7% природного урана, а все 100%, то есть в 150 раз больше. Ведь в случае успешного решения этой проблемы 1000 т урана с избытком хватило бы для работы атомных электростанций общей мощностью 100 миллионов киловатт в течение целого года! Именно поэтому в СССР ведется большая работа по изучению реакторов на быстрых нейтронах.
После долгих исследований принято решение о сооружении первого в мире большого реактора на быстрых нейтронах, электрической мощностью 300—350 тысяч киловатт, дальнейшим развитием которого будут быстрые реакторы с электрической мощностью 600 тысяч и миллион киловатт. Большая ядерная энергетика — это, бесспорно, энергетика реакторов на быстрых нейтронах с расширенным воспроизводством горючего.
С момента открытия возможности передачи электроэнергии на расстояние и строительством первой электростанции прошло не менее 75 лет. Первый атомный «костер», зажженный в лаборатории Ферми, и первую атомную электростанцию, введенную в эксплуатацию в СССР, разделяют только 12 лет. Поэтому было бы наивно ожидать, что с пуском даже мощных атомных электростанций все научные и технические проблемы, стоящие перед ядерной энергетикой и промышленностью в целом, разрешены и все, что осталось, — это начать массовое строительство атомных электростанций, чтобы заменить ими несовершенные и устаревшие тепловые. На самом деле это далеко не так. Атомная энергия настолько отличается от всех иных форм энергии, используемых человеком, перспективы ее дальнейшего применения столь грандиозны и головокружительны, а методы и формы использования еще так несовершенны, можно сказать — даже примитивны, что если о чем-либо и можно говорить, то только о первых разведочных шагах в этой области. Ведь самая совершенная атомная электростанция — это чудесный, почти волшебный конь (ядерный реактор), запряженный в старую дедовскую телегу (паровой котел). Та же ступень неизбежного в истории науки и техники варварства, как и сжигание нефти и угля.
И если мы еще не знаем, какие формы и размах примет ядерная энергетика хотя бы через 10—15 лет, то можно наверняка утверждать, что она будет далеко не похожа на все то, чем мы восхищаемся сегодня.
Даже строя атомные электростанции большой мощности для обыденной эксплуатации, их следует рассматривать как сугубо экспериментальные, сооружаемые для накопления крайне важного и очень нужного опыта, ибо следом за единичными станциями мощностью в сотни тысяч киловатт неминуемо должны появиться серийные станции, мощность которых должна измеряться уже миллионами киловатт. Поэтому вполне сознательно советские ученые и конструкторы, создавая очередной ядерный реактор или энергетическую установку, вносят в каждый из них что-то новое и смелое. Пока еще есть время и возможность, надо проверить в широких масштабах целесообразность тех или иных нововведений, не приостанавливая ни на минуту планомерного наращивания суммарной мощности атомных электростанций в стране в соответствии с народнохозяйственным планом.
Учитывая эти соображения, за последние несколько лет было разработано целое созвездие ядерных энергетических установок различного типа и назначения. С наиболее интересными из них мы и познакомимся.
 Не будем интриговать вас. Эти две буквы означают «сверхмощный».
Для того чтобы иметь возможность создавать реакторы любых, мыслимых и пока еще не мыслимых назначений и характеристик, должна существовать современная, отлично оснащенная и мощная научная организация. Такой базой и является Научно-исследовательский институт атомных реакторов Комитета по мирному использованию атомной энергии при Совете Министров СССР в городе Мелекессе, Ульяновской области. Своеобразный полигон атомной энергетики и завод заводов. Здесь будут исследоваться и испытываться различные схемы атомных электростанций, разнообразные материалы атомной техники. Как и положено головному научному центру, он должен, естественно, иметь реактор реакторов. Такой реактор и создан учеными института.
Ульяновская атомная электростанция — одно из важных направлений новых поисков. В ней используется так называемый кипящий реактор, превращающий подводимую к активной зоне воду в пар высоких параметров, который подается непосредственно на турбину, хотя предусмотрена возможность работы и по схеме Ново-Воронежской атомной электростанции. В этом случае вода, нагретая до 309°, под давлением 200 атм поступает в парогенератор, где отдает свое тепло воде второго контура, которая превращается в пар, питающий турбины, с температурой 237° и давлением 32 атм.
Мощность электростанции, правда, невелика, всего 50— 70 тысяч киловатт. Ее здесь больше и не нужно. Но зато для любых научных и конструкторских исследований необходимы очень большие — сверхплотные, предельно возможные потоки нейтронов. А это дается немалым трудом, так как приходится, помимо всего, устранять тысячи, казалось бы, самых пустяковых и несущественных препятствий.
В первую очередь удалось осуществить хорошее охлаждение активной зоны реактора, а также подобрать конструктивные материалы, поглощающие сравнительно мало нейтронов, но выдерживающие высокие температуры.
Как известно, в активной зоне образуются нейтроны всех энергий — от быстрых до тепловых, но меньше всех тепловых нейтронов. Поэтому в активную зону встроили полость, заполняемую водой или другим аналогичным замедлителем.
Попадая в вещество замедлителя, быстрые и промежуточные нейтроны замедляются до тепловых энергий, в результате реактор дает самый мощный в мире поток нейтронов в пучке — число с 15 нулями (1015) на 1 см²/сек.
Активная зона набирается из кассет, каждая из которых представляет собой пакет из тепловыделяющих пластин. Через щели пластин под давлением 50 атм прокачивается вода, охлаждающая рабочую зону реактора. Так как под действием излучений часть воды разлагается на водород и кислород, образуя гремучий газ, в реакторе предусмотрена система, в которой этот очень опасный газ без взрывов снова превращается в воду.
Впервые в мире смена рабочих кассет в активной зоне осуществляется внутри реактора с помощью специальной автоматической перегрузочной машины, извлекающей «выгоревшую» кассету и заменяющей ее свежей, хранимой тут же в своеобразном складе кассет.
Тело реактора пронизано большим числом каналов, используемых для облучения исследуемых веществ потоками нейтронов разной энергии и интенсивности, а также каналами для вывода за пределы реактора в специальные помещения пучков нейтронов для физических исследований.
Все управление реактора автоматизировано.
В заключение следует сказать, что самый плотный поток нейтронов, достигнутый до сих пор в США, равняется 4,2 -10м нейтронов на 1 см²/сек.

«ДРАЗНИЛКА»

Основными достоинствами ядерного реактора энергетического типа должны быть надежность и долговечность в работе, легкость управления, высокие, но не предельные эксплуатационные характеристики (с «запасом»), полная безопасность для людей. Ничто не должно доводиться «до грани», хотя превратиться в атомную бомбу и взорваться ни один реактор обычного типа практически не может, так как ядерное топливо в них рассредоточено и скорость нарастания цепной реакции благодаря этому даже в случае серьезной аварии не будет носить взрывного характера. Кроме того, по мере повышения температуры в активной зоне ход цепной реакции резко замедляется.

Как действует пульсирующий реактор («дразнилка») на быстрых нейтронах.
А соблазнов довести цепную реакцию до состояния «без пяти минут двенадцать» — чуть-чуть не доходя до взрыва — чрезвычайно много. Это и огромная тепловая мощность, развиваемая в таком состоянии, ограниченная лишь способностью теплоносителя достаточно быстро уносить фантастические количества тепла и способностью конструктивных элементов и самих тепловыделяющих элементов выдерживать очень высокие температуры и бомбардировку мощным потоком нейтронов, лавинообразно увеличивающимся по мере убыстрения хода цепной реакции. А большие потоки нейтронов с каждым днем все более и более нужны ученым для изучения очень интересных и важных изменений в различных веществах под действием нейтронной бомбардировки, начиная от «холодной» технологии увеличения выхода ценных продуктов из сырой нефти или вулканизации резины и кончая разрушением раковых опухолей в самых малодоступных скальпелю хирурга участках мозга человека.
Каким же тогда образом создать «предвзрывное» состояние ядерной реакции?
Вы уже знаете принцип действия атомной бомбы. Нужно лишь очень быстро свести вместе, вернее, «выстрелить» одну навстречу другой две половинки сферы из урана-235 или плутония-239, масса каждой из которых заведомо меньше критической. При соединении же их вместе получается масса, превышающая критическую. Возникающая реакция носит взрывной характер и длится после соприкосновения полусфер миллионную долю секунды. И если ходом цепной реакции еще возможно как-то управлять в начальные мгновения ее нарастания, то невозможно или почти невозможно — в последующие.
И вот появляется реактор, в котором невозможное становится не только возможным, но к тому же оказывается еще и совершенно безопасным.
Представьте себе два куска плутония, масса которых несколько меньше критической. Расположены они один против другого так, что между ними остается щель, достаточно широкая, чтобы в них не могла начаться цепная ядерная реакция. В этой щели со скоростью 5000 об/мин вращается диск с укрепленным на нем блоком урана-235. В тот ничтожно короткий момент, когда уран влетает в щель и оказывается между слитками плутония, масса всей комбинации из ядерного горючего оказывается выше критической и в нем начинается взрывная цепная реакция, и тогда... Нет, взрыва не произойдет, ибо за какую-то малую долю секунды до возможного взрыва уран выскакивает из щели, и цепная реакция столь же быстро обрывается. Но в момент «противостояния» слитков плутония и урана выбрасывается, как вспышка молнии, огромный сгусток быстрых нейтронов, — то, что не под силу даже большому промышленному реактору.
Ну, а если каким-либо чудом блок урана сорвется и застрянет между смертоносными слитками плутония?
Это невозможно чисто механически. Но чтобы на всякий, даже невероятный, случай удесятерить меры предосторожности, «слитки» плутония сделаны не сплошными, а составлены из отдельных стерженьков вроде пачки карандашей. В случае какой-либо аварии или превышения безопасного уровня нарастания реакции, срабатывает сверхбыстродействующее автоматическое устройство, выбивающее из пачки один или два «карандашика». Тогда общая масса плутония и урана становится ниже критической, и цепная реакция в ней возникнуть не может.
Главная ценность такого реактора заключается в том, что при среднем уровне мощности, не превышающем 1 квт, он 5000 раз в секунду «бьет» импульсами нейтронов, соответствующих реактору мощностью в несколько тысяч киловатт!
5000 раз в минуту рука человека «почти» сознательно взрывает атомную бомбу и столько же раз мертвой хваткой прерывает ее, подчиняя своей воле. Недаром ученые — создатели этой установки — шутя и любовно называют ее «дразнилкой», хотя ее полное официальное название «импульсный быстрый реактор» (ИБР).
Естественно, что все участки сооружения, где существует хотя бы ничтожно малая возможность прорваться нейтронной струйке наружу, ограждены надежными стенами биологической защиты.

«АРБУС»

Мощность этой атомной электростанции очень небольшая — «всего» 750 квт. Но главное ее достоинство не в мощности, а в легкости. Она предназначается для мест, расположенных в далекой северной тундре, в таежных дебрях, необжитых краях и для всех тех отдаленных районов страны, куда пока еще не дошли линии электропередач, несущие людям живительную энергию, тепло, свет.
Как известно, вес любой атомной электростанции, работающей по пароводяному циклу, приходится не на собственно реактор, а на его биологическую защиту, так как необходимо защищать не только его активную зону, но и все устройства первого контура, включая теплоноситель, трубопроводы, насосы, теплообменник и т. п. Незащищенными можно оставить только воду и трубопроводы второго контура и турбины.
Причина этому — вода. Проходя через активную зону реактора, она как бы впитывает в себя излучения и становится сильно радиоактивной и чрезвычайно опасной для людей.
Ну, а что было бы, если вместо воды использовать вещество, не становящееся радиоактивным под действием облучения любой интенсивности?
Конструкторы «Арбуса» пошли на применение смелой новинки — вместо воды в первом контуре в качестве теплоносителя они использовали органическую жидкость, совершенно «равнодушную» к облучению. Она не только хорошо отводит тепло, но и не активизируется — не заражается радиоактивностью. Соперником воды и даже расплавленных металлов оказался газойль — обычное дизельное топливо. Его только нужно перед использованием тщательно очистить от посторонних примесей, в первую очередь от серы, легко становящейся радиоактивной под действием излучений.
Как видите, атомный «огонь» в этой установке «заливается» легко воспламеняющимся горючим!
Но зато чистый газойль, пройдя активную зону реактора, остается безопасным, как и в начале своего пути. Поэтому, кроме самого реактора, вернее, его активной зоны, окружать биологической защитой почти нечего. Более того, газойль ничего не коррозирует. Все трубопроводы, насосы, арматуру можно делать не из специальной, а из обычной стали.
Но это далеко еще не все. Благодаря большой удельной теплоемкости теплоносителя давление, под которым он работает, в 20 раз меньше, чем на водяных атомных электростанциях. Единственный недостаток такого теплоносителя: под действием излучений он частично химически изменяется — полимеризуется, то есть превращается в пластмассу. Вследствие этого его после использования приходится очищать от образовавшихся продуктов химической реакции.
Для работы такой электростанции требуется в год всего несколько тонн свежего газойля и 2 кг урана. Если бы электрические генераторы этой станции приводились в движение обычными дизелями, она за год израсходовала бы около 1500 т топлива. А здесь одной зарядки реактора ураном хватает на два года.
Но вернемся к тому, с чего мы начали. «Арбус» весит всего 360 т. Сравнительно малый объем биологической защиты позволил расчленить всю электростанцию на 19 отдельных блоков, ни один из которых не весит более 20 т, вследствие чего ее можно доставить в любой уголок страны.
Несмотря на все эти особенности и отступления от привычной практики, «Арбус» прост, надежен и удобен в работе.

АТОМНАЯ САМОХОДНАЯ

Речь идет не о самоходной атомной пушке, а о мирной атомной электростанции.
Если создание «Арбуса» — сверхлегкой атомной электростанции — вызывает удивление, то еще большее изумление вызывает атомная электростанция, названная более чем скромно — «ТЭС-3». Людям, привыкшим видеть атомную электростанцию в огромных бетонных сооружениях, трудно сразу поверить, что четыре транспортера-вездехода на широких гусеницах и есть передвижная атомная электростанция мощностью 1500 квт. Она может работать там, куда трудно забросить даже легкий «Арбус», где нет ни железных дорог, ни аэродромов, но где нужна до зарезу электроэнергия.

Самоходная атомная электростанция.
До ближайшего пункта «ТЭС-3» можно перевезти по железной дороге на четырех платформах или на пароходе, а дальше она пойдет сотни километров по бездорожью уже своим ходом, преодолевая, как танк, даже метровые препятствия.
По прибытии на место надо соединить коммуникациями все агрегаты, создать для первых двух машин естественное укрытие — специальную траншею с тонкостенными железобетонными перекрытиями, засыпанными сверху толстым слоем земли, — и станция готова для запуска.
На первом вездеходе расположен атомный реактор, на втором — циркуляционные насосы, парогенераторы и другое оборудование первого радиоактивного контура. Схемы реактора и станции обычные — по водо-водяному циклу.
По первому контуру циркулирует вода под давлением 130 атм, по второму контуру после теплообменника — пар, перегретый до 280°.
В третьей машине находится обычная паровая турбина и генератор, в четвертой—пульт автоматизированного управления.
Для обслуживания этого подвижного «городка» нужно всего три-четыре человека в одну смену. Без перезарядки ураном станция может работать год. За сутки она расходует всего лишь 14 г урана-235.
Весят все четыре машины 350 т. После остановки реактора станция через две недели может отправиться снова в путь. При этом радиоактивные тепловыделяющие элементы остаются в реакторе.

"РОМАШКА"

Несмотря на огромные успехи в расширении энергетической базы человеческого общества, особенно после того, как на службу людям была поставлена электроэнергия, ученых долгое время смущал, а в последние десятилетия волнует некогда прогрессивный, а ныне варварски-расточительный способ, каким человечество расходует ужасающе быстро и все ускоряющимися темпами природные источники энергии: уголь, нефть, растительные виды топлива.
Исторически развитие электротехники пошло по ныне повсеместно применяемой схеме выработки электроэнергии: топливо — паровой котел — паровая машина (турбина) — генератор электрического тока, а не по более простой схеме: теплота — электричество.
Причин этому было много. Более длинный и сложный способ давал более высокий коэффициент полезного использования энергии — например, в паровозе до 6—7%, в то время как все другие, более короткие схемы не вырывались за пределы 1—2%. И это предопределило развитие электроэнергетики на два с лишним века вперед.
Постепенно благодаря усилиям ученых и инженеров коэффициент полезного использования энергии тепла, скрытой в топливе, поднялся до 25—30%, а у самых современных энергетических установок достигает 35—38 и даже 41%.
Естественно, что разработке иных, более совершенных экономичных способов преобразования энергии теплоты в электрический ток почти не уделялось никакого внимания.
Тревога за сырьевые ресурсы человечества возникла в связи с тем, что ежегодная добыча угля во всем мире превышает 3 миллиарда тонн, а нефти— 1,5 миллиарда тонн, не считая газа, растительных и других видов топлива. Всего почти 5 миллиардов тонн. О том, что запасы топлива катастрофически уменьшаются и абсолютно, и относительно роста добычи, споров уже нет. Мнения расходятся только в том, на сколько человечеству теперь хватит угля и нефти. Одни считают, что угля хватит на 300—500 лет, а нефти на 50 лет, другие сокращают эти числа в два-три раза.
В свете неминуемо надвигающегося топливного голода кажется уже преступлением, добывая 5 миллиардов тонн топлива в год, 3/4 его выбрасывать буквально на ветер. Вряд ли в деятельности человека есть еще какая-либо область со столь низким использованием природных ресурсов, чем энергетика.
И нет ничего удивительного, что во всех странах мира целые армии ученых занялись проблемой прямого преобразования теплоты в электричество, минуя всевозможных посредников. И очень скоро выяснилось, что некоторые отброшенные на заре энергетики как безнадежно бесперспективные способы получения электроэнергии, притом непосредственно из теплоты, оказались в свете новейших достижений науки куда более перспективными, чем те, которые полновластно господствуют в энергетике сегодня.
Мы здесь можем только назвать их, не вдаваясь глубоко в принципы действия этих «новинок», многие из которых известны науке свыше... 100 лет!
Это преобразование солнечного света в электричество, обещающее со временем достичь к. п. д., равного 45%. Это термоионные устройства с к. п. д. не ниже 65—70%, магнитогидродинамические генераторы с к. п. д. порядка 70—80%, термогенераторы с к. п. д. не ниже 45—50% и, наконец, топливные химические элементы, обещающие к. п. д, даже около 100%! Тогда как даже теоретический потолок использования энергии тепла в тепловых электростанциях не может превысить 41—43%.
Учитывая огромную насыщенность мировой энергетики электрическими устройствами существующих видов, потребуется несколько, а может быть, и много десятилетий, чтобы заменить их энергетическими установками этих условно «новых» видов.
Атомная энергетика сама по себе обещает на долгие годы, видимо на века и тысячелетия, снять или отодвинуть наступление энергетического голода. Но и она также уязвима со стороны низкого к. п. д. использования энергии тепла, причем даже 41—43% для нее являются труднодостижимыми.
Поэтому нет ничего удивительного в том, что, разрабатывая атомные установки всех видов, ученые не могли пройти мимо того факта, что впрягать огненного коня — ультрасовременный ядерный реактор — нужно не в старую телегу — паровой котел, о чем мы уже говорили, а во что-то иное, обещающее хотя бы поначалу только принципиально более высокий к. п. д.
Все это длинное вступление понадобилось нам для того, чтобы подчеркнуть важность первого шага, сделанного советскими учеными, — запуска 14 августа 1964 года в работу экспериментальной установки с прямым преобразованием ядерной энергии в электрическую. Этой установке и было присвоено лирическое название «Ромашка» — за ее внешний вид, напоминающий этот цветок.
Больше века назад было замечено, что если спаять вместе два различных куска металла и один охлаждать, а другой нагревать, то в образующейся цепи потечет электрический ток. Долгое время этот эффект из-за низкого к. п. д. (около 0,5%) с успехом применялся лишь в измерительной технике. Развитие современной полупроводниковой техники позволило получать материалы, в которых преобразование теплоты непосредственно в электроэнергию может совершаться уже с к. п. д., равным 10—11%.
Поскольку ядерный реактор является по своей природе тепловой машиной, его использование в качестве источника теплоты для термоэлектрического преобразования энергии наиболее перспективно.
В экспериментальном реакторе-преобразователе «Ромашке» тепловая энергия, создаваемая в активной зоне высокотемпературного реактора, нагревает «горячие» спаи большого количества батарей, собранных из термоэлектрических элементов, которые и преобразуют теплоту непосредственно в электрический ток.

Схема устройства полупроводниковой термоэлектрической батареи, используемой в «Ромашке». Каждый термоэлемент такой батареи состоит из двух спаянных нагреваемыми концами полупроводников, отличающихся один от другого знаком термоэлектрического эффекта. У одного из них положительно заряженным является горячий конец, у другого — холодный. Между холодными концами каждого термоэлемента (пары) возникает разность электрических потенциалов порядка 0,2—0,3 в при силе тока до 1 а.
Тепло получается в активной зоне реактора, имеющей форму цилиндра, в которой размещены 11 графитовых кассет с тепловыделяющими элементами в виде пластин из дикарбида урана. Реакция деления осуществляется на быстрых нейтронах. Зеркалом для нейтронов служит бериллиевый отражатель, окружающий со всех сторон активную зону реактора.
Так как к. п. д. термоэлементов растет с увеличением разности температур между горячим и холодным спаями, максимальная температура в центре активной зоны реактора достигает 1170°.
Термоэлектрический преобразователь встроен в наружную поверхность отражателя, имеющую температуру около 1000°. Он составлен из полупроводниковых термоэлектрических элементов из кремний-германиевого сплава. Одна сторона термоэлементов нагревается теплом реактора, другая принудительно охлаждается. Термобатарея дает ток силой 88 а, который и отводится во внешнюю цепь. Электрическая мощность «Ромашки» пока еще не велика — 500 вт. Но нужно иметь в виду, что это первая работающая установка такого типа. Потребуется какое-то время, чтобы накопить опыт, необходимый для конструирования предельно легких, компактных электростанций самого различного назначения.

АТОМ НАПОИТ ПУСТЫНИ

Больше двух третей поверхности Земли занимает Мировой океан, или попросту вода. Поэтому нашу планету было бы более правильно называть не Землей, а, например, Водой или Океанией.
Однако из трети, занятой сушей, почти половина приходится на пустыни, полупустыни и сильно засушливые места. Но и то, что остается, природа «не благоустроила» для человека. Это или переувлажненные, обильные реками, озерами и болотами малозаселенные суровые и холодные просторы Севера, колоссальные количества замерзшей воды, покрывающие Арктику и Антарктиду, или густонаселенные, но изнывающие от жажды теплые края, могущие, как по волшебству, обернуться настоящим раем, если их вдоволь напоить влагой. И это тем более трагично, что многие из них тысячелетиями живут бок о бок с безбрежными просторами океанов и морей. Но вода в них горько-соленая. Ею нельзя напоить ни людей, ни нивы.
По запасам пресной воды наша страна занимает первое место в мире. Однако вода эта, так же, как и на всем земном шаре, распределена неравномерно. 80% ее приходится на северные и восточные районы, где находится около 20% населения и всех производительных сил страны: заводов, фабрик, сельскохозяйственных угодий. А там, где живут остальные 80% населения и расположена основная часть промышленности и сельскохозяйственного производства, мало воды и много пустынных и засушливых мест. А когда-то это тоже были цветущие, плодороднейшие места планеты.
На протяжении многих веков человек упорно боролся с наступлением пустыни, палящего солнца, знойного ветра. Но вынужден был непрерывно отступать, ибо мало было в его распоряжении средств и силы для сдерживания могучего противника. Собственные руки, мускульная сила домашних животных — и все!
И только новому, социалистическому обществу с его могучей техникой и промышленной базой стало под силу начать борьбу с извечными врагами земледельца. И главным оружием в этой борьбе явилась вода. Советские люди стали создавать искусственные моря пресной воды, прокладывать тысячекилометровые трассы каналов и поворачивать реки, направляя их воды туда, где они давным-давно уже иссякли.
Но эту воду тоже нужно добывать и, как правило, дорогой ценой. Естественно, возникла мысль: а нельзя ли морскую или соленую подземную воду, которая в изобилии есть почти всюду, особенно в южных краях, превращать в пресную? И не стакан или ведро, а целые реки, способные напоить сотни тысяч и миллионы людей, вернуть жизнь полям, садам, лесам.
Соленую воду можно опреснить многими способами. Например, используя некоторые новые искусственные материалы, так называемые ионообменные смолы. Пропуская воду через огромное количество тонких перепонок из этих веществ, можно задержать растворенные в воде соли. Можно заморозить воду. Тогда соль сконцентрируется в нижней части глыбы льда, а пресная вода соберется вверху... Наконец, можно просто нагревать и испарять воду, а затем, собрав и охладив уже свободный от соли пар, вновь превратить его в воду, но уже пресную.
Однако любой из этих способов требует больших материальных затрат и огромного количества энергии. Пустыня — это не то место, где не идут дожди, а то место, где нет энергии. Теоретические расчеты показывают, что на получение I т опресненной воды нужно затратить как минимум 1 квт-ч энергии. Но где взять столько энергии? Под силу ли это даже такому могучему индустриальному государству, как Советский Союз? Ведь чтобы вдоволь напоить все пустынные и засушливые районы страны, нужны десятки и сотни миллиардов тонн воды!
Такая сила нашлась — ее даст энергия, скрытая в недрах атома. Если использовать для этой цели атомный реактор очень большой мощности, то получаемая от него энергия будет обходиться значительно дешевле, чем энергия обычных тепловых электростанций.
Атомная электростанция, сжигая в сутки от силы 2 кг урана или плутония, может давать не только тепло для испарительных или холодильных установок, но и достаточное количество электроэнергии для большого промышленного города или района с населением в несколько сотен тысяч человек. И энергия, и вода!
Первая такая установка, развивающая тепловую мощность свыше миллиона киловатт строится на восточном берегу Каспийского моря в городе, названном по фамилии знаменитого поэта-бунтаря Т. Шевченко, где тот когда-то отбывал царскую ссылку. На вырабатываемом тепле будет работать электростанция мощностью около 150 тысяч киловатт, а пар, после того как он приведет в движение турбины и генераторы электрического тока, направится в опреснительную установку, которая произведет 100—110 тысяч кубических метров (или тонн) пресной воды в сутки по цене около шести копеек за кубический метр. Этого количества воды хватит для большого города с населением в несколько десятков тысяч человек.
Таким путем люди нового, социалистического общества получают в свое распоряжение могучую силу, позволяющую успешно вести наступление на пустыни и засухи.