Физические основы получения атомной энергии

VIII. ПРИМЕНЕНИЕ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ

Одним из первых применений ядерной энергии явилось ядерное оружие. Исключительно важное значение имеет применение ядерной энергии как источника тепловой, механической и электрической энергии. О применении ядерной энергии для энергетических целей рассказывается ниже.

Одним из генеральных путей развития ядерной энергии является, несомненно, производство электрической энергии, самой удобной для передачи и использования в народном хозяйстве. Именно поэтому советские люди с особым чувством гордости воспринимают тот факт, что в нашей стране построена и успешно работает первая в мире промышленная атомная электростанция (рис. 49). Технологическое оборудование станции, созданное советскими учеными, инженерами и рабочими, выдержало блестящий экзамен. За три года работы станции не вышел из строя ни один тепловыделяющий урановый элемент, как и не было ни одного случая нарушения биологической безопасности. Это величайшая победа советской науки и техники. День пуска этой станции — 27 июня 1954 г. — войдет в историю как начало технико-экономической революции, распахнувшей перед человечеством двери в новую, атомную эпоху. Не взрывы атомных бомб в Хиросиме и Нагасаки, а именно первая атомная электростанция СССР и применение ядерной энергии в мирных целях положили начало этой революции.

Первая атомная электростанция построена с целью накопления научного и инженерного опыта, необходимого для проектирования и строительства крупных атомных станций в шестой пятилетке. Проектировщики и строители новых атомных энергетических гигантов черпают здесь богатейший опыт.

По принципу своего устройства первая атомная электростанция является паросиловой установкой, в которой электроэнергия вырабатывается турбогенератором, то есть генератором, соединенным на общем валу с паровой турбиной, приводящей его в движение. Принципиальная схема станции в упрощенном виде приведена на рис. 50. Основными элементами станции являются ядерный реактор, парогенератор и турбогенератор.

Ядерный реактор, конструкция которого рассмотрена выше, является сердцем станции; его тепловая мощность 30 тыс. квт. Это как бы «топка» станции, где ядерная энергия превращается в теплоту. Для вывода тепла из реактора применяется двухконтурная система: дистиллированная вода первичного контура, циркулирующая через реактор, и система теплообменников (парогенераторов), передающая свое тепло обыкновенной воде второго контура, которая, превращаясь в пар, приводит в движение турбогенератор с электрической мощностью 5 тыс. квт.

Применение двухконтурной схемы исключает возможность попадания радиоактивной воды первого контура в турбину. Благодаря этому обслуживание турбины и связанного с ней оборудования ничем не отличается от обычных тепловых электростанций, так как для этого оборудования не требуется устройства биологической защиты. Элементы же первичного контура, поскольку циркулирующая в них вода обладает радиоактивностью, окружены специальной защитой.

На станции имеется 8 парогенераторов, попарно объединенных в защитных камерах. Когда станция работает на полную мощность, то включены три пары, а четвертая пара находится в резерве. Каждый парогенератор, состоящий из подогревателя воды, испарителя воды и пароперегревателя, представляет собой своеобразный «паровой котел». Именно здесь сильно нагретая вода первичного контура отдает свое тепло движущейся ей навстречу воде второго контура и превращает ее в пар. Три пары таких «котлов» производят в час около 40 т пара при температуре 255–260° Ц. Циркуляционные насосы перекачивают охлажденную до 190° воду обратно в реактор. Так заканчивается цикл обращения дистиллированной воды (первичного теплоносителя).

Вторичный теплоноситель — обыкновенный водяной пар при давлении 12,5 атмосферы — поступает в турбогенератор, где его тепловая энергия превращается в электрическую. Отработанный пар, охлаждаясь в конденсаторе, превращается там в воду и перекачивается питательными насосами обратно в парогенератор.

Первая атомная электростанция СССР размещается в трех зданиях. В главном здании находятся ядерный реактор, парогенераторы, насосы и другое оборудование для обслуживания станции и для проведения научных и инженерных исследований. Там же размещается и пульт управления станции. Во втором здании установлены: паровая турбина с электрическим генератором, электрическое распределительное устройство, конденсатор и другое оборудование, относящееся к контуру вторичного теплоносителя (пара). Наконец, в третьем здании размещаются вентиляционные устройства, необходимые для выброса в трубу радиоактивных газов, выделяющихся при работе ядерного реактора.

Управление ядерным реактором и всеми другими агрегатами станции производится с главного пульта управления (рис. 51), причем осуществляется оно преимущественно автоматически. Автоматы поддерживают заданный уровень мощности реактора, следят за действием основных и вспомогательных устройств станции и обо всем, что происходит на станции, посылают соответствующие сигналы на главный пульт управления.

Дежурный инженер-оператор может следить по приборам этого пульта за работой всех элементов станции. Перед глазами оператора находятся измерители мощности и указатели положения регулирующих стержней, приборы, отмечающие температуру, давление и количество воды, протекающей в каждом из 128 рабочих каналов реактора. Здесь же оператор получает сведения о давлении пара, идущего в турбину, о работе всех насосов и парогенераторов.

На центральном щите пульта имеется наглядная схема станции, на которой приборами и условными значками представлено все сложное хозяйство станции. Световые сигналы, имеющиеся на схеме, «докладывают» оператору о неполадках. Желтый сигнал — предупреждение, красный показывает причину и место аварии.

В соответствии с этими сигналами и показаниями приборов оператор, находясь у пульта, может устранить могущие возникнуть неполадки. Но даже в том случае, если бы оператор не принял необходимых мер, авария не произойдет, так как аварийные стержни сами опустятся в реактор и остановят цепной процесс.

На особом дозиметрическом пульте находятся приборы, сигнализирующие о наличии опасных радиоактивных излучений в различных помещениях электростанции. Оператор всегда будет предупрежден световым и звуковым сигналом, в каком помещении излучение превышает норму. Кроме того, в этом помещении автоматически вспыхивает красная лампа и дается звуковой сигнал. На здоровье обслуживающего персонала работа на станции не оказывает вредного влияния.

Радиоактивная пыль и газы, отсасываемые из помещений электростанции, поступают в высокую трубу и выбрасываются в атмосферу. Высота трубы гарантирует полную безопасность для окружающего населения.

Питание всех агрегатов станции производится за счет вырабатываемой ею электроэнергии. Однако в случае аварии в электрической сети питание всех механизмов и приборов автоматически переключается на аккумуляторную батарею.

Электрическая энергия атомной электростанции поступает через трансформаторную подстанцию в общее высоковольтное кольцо, от которого питаются фабрики, заводы, колхозы, совхозы, культурно-просветительные учреждения и жилые дома.

Стоимость одного киловатт-часа электрической энергии, вырабатываемой на первой атомной электростанции, значительно превышает среднюю себестоимость одного киловатт-часа на мощных тепловых электростанциях Советского Союза. Однако она сравнима со стоимостью электроэнергии, получаемой на таких же по мощности 1000–5000 квт — тепловых электростанциях.

Анализ стоимости одного киловатт-часа энергии, вырабатываемой на первой атомной электростанции, показывает, что высокая его себестоимость обусловлена в первую, очередь малой ее мощностью.

В 1955 г. на Международной научно-технической конференции по мирному использованию атомной энергии в Женеве профессор Д. И. Блохинцев сообщил, что экономические показатели усовершенствованной атомной электростанции мощностью в 100 тыс. квт были сравнены с показателями современной электростанции такой же мощности, работающей на угле среднего качества, сжигаемом в пылевидном состоянии. Оказалось, что стоимость топлива на один киловатт-час на атомной станции больше, но уже близка к стоимости его на обычной станции, если здесь используется топливо низкого качества.

Это связано в большой степени с тем, что расход ядерного горючего на атомной электростанции ничтожно мал. В то время как для угольной станции мощностью в 500 тыс. квт требуется в год не менее 100 тыс. вагонов угля, для атомной электростанции такой же мощности достаточно в год лишь нескольких вагонов урана.

Таким образом, одним из путей повышения экономичности атомных электростанций является увеличение их мощности.

Атомная электростанция не нуждается в топливном складе с его механизмами, в железнодорожных вагонах для перевозки топлива, общий вес которого на угольной станции составляет тысячи тонн. Существенным преимуществом атомной электростанции по сравнению с обычными является отсутствие золы, дыма и т. д.

Все это позволяет рассчитывать на то, что численность персонала, обслуживающего атомный реактор и парогенераторы, будет в 2–3 раза меньше числа работающих в котельной и на вспомогательных сооружениях угольной электростанции той же мощности.

Сравнение возможных характеристик атомной и угольной электростанций мощностью по 100 тыс. квт указывает на перспективность атомных станций, аналогичных первой атомной электростанции СССР.

Атомная электростанция уже сейчас более экономична по сравнению с угольной станцией, находящейся далеко от района добычи угля или работающей на низкосортном топливе.

Значение первой в мире атомной электростанции СССР огромно. Впервые в промышленных масштабах практически осуществлено превращение ядерной энергии в электрическую и тем самым доказана возможность мирного использования огромных запасов ядерного горючего для блага человечества.

Положительный опыт эксплуатации первой атомной электростанции и успешные физические и инженерные исследования в области атомной энергетики позволили нам приступить к проектированию и строительству мощных атомных электростанций разных типов.

О грандиозной программе использования ядерной энергии для энергетических целей, осуществляемой в Советском Союзе, рассказал акад. И. В. Курчатов в статье «Некоторые вопросы развития атомной энергетики в СССР»[10].

Советский Союз располагает разнообразными природными энергетическими ресурсами на просторах Сибири. Богатые водные ресурсы позволяют получать в Сибири дешевую гидроэнергию, а на базе угольных карьеров — дешевую электрическую и тепловую энергию.

На ближайшие десятилетия имеющихся у нас ресурсов будет достаточно в Европейской части СССР, но в несколько более отдаленном будущем ядерная энергия может оказаться тем практически неисчерпаемым и относительно дешевым источником, который обеспечит изобилие энергии в этой части страны.

Мы ставим задачу создать атомную энергетику, которая, по крайне мере для условий Европейской части Союза, будет экономически более выгодной, чем угольная энергетика.

В связи с этим намечается строить крупные атомные электростанции мощностью на первое время около 400–600 тыс. квт каждая; только на крупных атомных электростанциях можно достигнуть экономически выгодных показателей. В 1956–1960 гг. намечено построить 5 больших атомных электростанций. По этой программе станции будут входить в строй с конца 1958 г.; часть их начнет работать в 1959 г., а некоторые — в 1960 г.

Атомные электростанции будут строиться в первую очередь в районах с дальнепривозным топливом. Поэтому две атомные электростанции общей мощностью в 1 млн. квт намечено построить на Урале. Атомная электростанция мощностью в 400 тыс. квт будет построена также вблизи от Москвы. Общая мощность атомных электростанций, которые должны быть пущены в шестой пятилетке, составит 2–2,5 млн. квт и будет сравнима с мощностью такой крупнейшей в мире электростанции, как, например Куйбышевская. Мощность вводимых в строй атомных электростанций превосходит, судя по опубликованным данным, аналогичные планируемые мощности атомных электростанций США и Англии.

Успехи, достигнутые в последнее время в развитии атомной энергетики, дают основание предполагать, что в недалеком будущем могут быть созданы передвижные атомные электростанции. Такие энергетические установки с успехом могут быть использованы в качестве источников электроэнергии в районах, отдаленных от баз снабжения горючим или подвергшихся сильному разрушению. Особенно эффективно передвижные атомные электростанции, смонтированные на автомашинах, могут быть использованы в войсках для обеспечения электроэнергией ремонтно-восстановительных частей и для производства других разнообразных работ.

На атомных электростанциях тепло, выделяющееся в реакторе, сначала преобразуется с помощью пара в механическую энергию, а уже затем в электрическую. Такой метод получения электрической энергии принципиально ничем не отличается от аналогичного метода, используемого в паросиловых установках обычных тепловых электростанций.

Наука давно уже установила, что коэффициент полезного действия любой тепловой установки тем больше, чем больше разность температур между нагревателем (парогенератором) и холодильником (конденсатором). Цепная реакция, осуществляемая в реакторе, позволяет в принципе получать очень высокие температуры, при которых коэффициент полезного действия установки приблизился бы к 100%. Однако отсутствие жаропрочных материалов, способных выдерживать высокие температуры, ограничивает реализуемые в реакторах температуры несколькими сотнями градусов, в связи с чем коэффициент полезного действия мощных атомных электростанций оказывается такого же порядка, как и у обычных тепловых электростанций (25–30%).

Возникает вопрос: нельзя ли избежать всех этих сложных и многократных превращений атомной энергии? Возможны ли другие пути превращения атомной энергии в электрическую? Оказывается, возможны, и притом несколько.

Один из намечающихся путей заключается в непосредственном превращении тепла, выделяющегося в цепной реакции или при радиоактивном распаде, в электрическую энергию с помощью так называемых термоэлектрических батарей или генераторов.

Физические основания этого следующие. Если взять две разнородные проволочки (например, железную и константановую) и спаять их концы, образовав замкнутую цепь, то при нагревании одного из спаев в цепи течет электрический ток. Такая пара из двух спаянных разнородных проводников получила название термопары, или термоэлемента. Часть тепловой энергии, нагревающей горячий спай, превращается в термоэлементе в электрическую энергию. Коэффициент полезного действия термоэлемента из металлических проводников очень мал и не превышает 0,5%. Но, как показали советские физики, руководимые акад. А. Ф. Иоффе, термоэлемент, состоящий из металлического проводника и полупроводника или из двух разнородных полупроводников, имеет более высокий коэффициент полезного действия, достигающий 7–10%. А это не так уж мало, если вспомнить, например, что коэффициент полезного действия паровоза составляет 4–6%.

Система из множества термоэлементов, включенных последовательно (иногда и параллельно), называется термоэлектрической батареей, или термоэлектрическим генератором. Первое практическое применение подобных генераторов осуществлено в Советском Союзе в целях радиофикации отдаленных районов, не имеющих электрической энергии. На рис. 52 приведена фотография керосинового термоэлектрогенератора (ТГК-3), разработанного в Институте полупроводников Академии наук СССР и предназначенного для питания электрической энергией радиоприемника средней мощности. Горячие газы лампы нагревают внутренние спаи термоэлементов, наружные спаи охлаждаются окружающим воздухом. На фотографии виден ребристый радиатор, присоединенный к наружным спаям для лучшего их охлаждения.

После ознакомления с керосиновым генератором нетрудно будет понять идею конструкции атомной термоэлектрической батареи (термоэлектрогенератора).

Ядерный реактор в виде цилиндра из графитовой кладки с урановыми стержнями окружается цилиндрической рубашкой, внутрь которой вводятся нагреваемые спаи последовательно соединенных термоэлементов; холодные спаи размещаются снаружи и охлаждаются окружающим воздухом. Тепло, выделяющееся в реакторе, нагревает внутренние спаи и поддерживает тем самым разность температур между ними и наружными спаями. Вследствие этого в цепи термоэлементов будет непрерывно протекать электрический ток. К сожалению, такие батареи будут маломощными.

Возможен второй путь прямого превращения атомной энергии в электрическую с помощью батарей другого типа, в которых используются радиоактивные излучения. Атомные батареи этого типа собираются из электрических элементов, прототипом которых является зарядное устройство, описанное английским физиком Г. Мозли еще в 1913 г. Устройство такого элемента можно представить себе следующим образом (рис. 53).

Внутрь металлического корпуса 1 вводится электрод 2, изолированный кварцем или янтарем 3 и покрытый тонким слоем какого-либо радиоактивного изотопа 4. Воздух из такого устройства выкачивается. Если изотоп испускает, например, бета-частицы, то внутренний электрод 2, теряя отрицательный заряд, будет заряжаться положительно, а внешний электрод (корпус) — отрицательно. Внешний электрод является здесь собирателем (коллектором) бета-частиц (электронов). По мере накопления зарядов на электродах такого элемента напряжение будет увеличиваться и достигнет большой величины, измеряемой иногда многими десятками тысяч вольт. Сила тока такого элемента очень мала и имеет величину порядка миллиардных долей ампера. Но так как сила тока пропорциональна количеству изотопа в элементе, то, взяв большое количество изотопа и соединив несколько таких элементов параллельно в батарею, можно получить от нее несколько бóльший ток.

Батареи такого типа используются как источники анодного напряжения либо в электронно-лучевых трубках, либо в устройствах для ускорения отдельных заряженных частиц.

Зарядка внешнего электрода радиоактивным излучением может осуществляться через тонкий слой твердого диэлектрика (рис. 54). Такой элемент не нуждается в вакууме. Для защиты от радиоактивных излучений целесообразно экранировать элемент слоем свинца.

Третий и наиболее перспективный путь прямого превращения атомной энергии в электрическую связан с применением атомных электрических элементов с умножением тока на полупроводниковом контакте. Упрощенная схема такого элемента дана на рис. 55.

Источником бета-частиц (электронов) здесь служит искусственно радиоактивный стронций 90. Излучаемые им электроны, пронизывая пластинку полупроводника (например, кремния), размножаются, выбивая новые электроны из атомов кремния. На один первичный электрон образуются сотни тысяч новых (вторичных) электронов. Контакт кремний–индий обладает замечательным свойством: он пропускает электроны только в одном направлении, в результате чего облучаемый кремний приобретает заряд одного знака, а индий — противоположного. Если теперь к кремнию и индию присоединить проводники, то в цепи будет течь электрический ток. Атомный элемент на кремнии дает напряжение порядка 0,25 в и ток короткого замыкания 10^-5 а.

Появление атомных батарей является доказательством возможности прямого превращения ядерной энергии в электрическую и представляет несомненный научный и практический интерес.

Атомные батареи, использующие радиоактивные излучения, могут действовать без смены радиоактивного вещества длительное время, определяемое периодом полураспада используемого радиоактивного изотопа. Так, например, продолжительность непрерывной работы обычной сухой батареи измеряется десятками и в лучшем случае сотнями часов, тогда как срок службы стронциевой батареи исчисляется многими годами. Мощность стронциевой атомной батареи уменьшается в 2 раза лишь примерно через 20 лет.

Кроме того, атомные батареи в отличие от обычных дают постоянное напряжение («не садятся») независимо от продолжительности их работы. Весьма важным свойством атомных батарей является их портативность. Один атомный элемент со стронцием 90 имеет размеры не более наперстка.

Атомные электрические батареи могут найти применение в первую очередь в переносных радиостанциях, полевых телефонных аппаратах, полевой дозиметрической аппаратуре и т. д., т. е. там, где от источников электрической энергии требуются малые размеры и вес. Если учесть большую насыщенность современных войск подобной аппаратурой, то нетрудно будет понять, насколько упростится ее обслуживание и снабжение источниками электрической энергии благодаря применению атомных батарей.

К сожалению, атомных батарей, рассчитанных на отдачу значительной мощности, до сих пор еще нет. Несомненно, однако, что дальнейшее усовершенствование конструкции атомных батарей и изобретение новых их типов будет способствовать созданию в ближайшем будущем атомных батарей большой мощности.

Одним из серьезных недостатков атомных батарей является обязательное наличие свинцовой защиты от радиоактивных излучений.

Производство электрической энергии атомными электростанциями является одним из генеральных путей использования ядерной энергии. Наряду с этим имеются и другие пути. В директивах XX съезда указано: «Развернуть работы по созданию силовых установок для транспортных целей. Построить ледокол с атомным двигателем». Применение атомных двигателей на всевозможных транспортных установках представляет собой второй важный путь использования ядерной энергии. Проблеме атомных двигателей посвящены целые книги[11]. Поэтому рассмотрим этот вопрос кратко.

Атомный двигатель — это машина, преобразующая энергию ядерного горючего в механическую энергию вращения. Основой атомного двигателя любой возможной конструкции является ядерный реактор того или другого типа.

Основным преимуществом атомного двигателя по сравнению с двигателями, работающими на обычном химическом топливе, является чрезвычайно малый расход ядерного горючего. Так, например, если при пробеге автомашины «Победа» на 100 тыс. км, ее двигатель расходует около 10–11 т бензина, то для атомного двигателя такой же мощности и при том же пробеге потребовалось бы израсходовать всего лишь 6 г урана. Атомный двигатель, равный по мощности Днепрогэсу имени В. И. Ленина (600 тыс. квт), расходовал бы в сутки около 600 г урана 235.

Малый расход ядерного горючего приобретает особо важное значение, когда требуется обеспечить непрерывную работу двигателя в течение большого времени без дозаправки горючего. Это значит, например, что воздушный корабль с атомным двигателем, близкий по размерам к современному тяжелому самолету, сможет совершить кругосветный полет без посадки и без дозаправки горючего; такой полет на самолете с обычным двигателем, требующим огромного количества топлива, невозможен.

Применение ядерного горючего может дать принципиальное решение и проблеме межпланетных полетов с помощью ракет. Как известно, для того чтобы ракета могла преодолеть силу земного тяготения и уйти в мировое пространство, она должна иметь скорость не менее 11 200 м/сек. Оказывается, что вес лучшего химического топлива, необходимого для этого, должен составить более 96% полного начального веса ракеты. Это обстоятельство налагает на конструкцию ракеты практически невыполнимые требования.

Положительным свойством атомного двигателя является и то, что для его работы не требуется воздух, без которого невозможно сжигание топлива в обычном тепловом двигателе.

Существенным недостатком атомного двигателя является необходимость окружать ядерный реактор тяжелой биологической защитой. На стационарных силовых установках это обстоятельство не имеет большого значения. А вот для транспортных установок проблема защиты от излучения реактора создает большие трудности.

Удельный вес биологической защиты по сравнению с общим весом атомного двигателя тем меньше, чем больше его мощность. Поэтому двигатели большой мощности более целесообразны. А если учесть еще и расход горючего, то получится, как это показывают расчеты, что атомный двигатель большой мощности оказывается легче обычной паросиловой установки, отягощенной огромным запасом необходимого топлива.

С практической точки зрения все ядерные реакторы для двигателей можно разделить на три категории.

Первые — не требующие специальной защиты от излучений, то есть предназначенные для двигателей, работающих автоматически или управляемых на расстоянии.

Вторые — требующие мощной бетонной защиты в сотни тонн, например, предназначенные для больших кораблей, где реакторы должны быть расположены так, чтобы экипаж и пассажиры были защищены от излучений.

Третьи — реакторы, нуждающиеся только в частичной защите, которые можно использовать в локомотивах и на больших самолетах. Очевидно, что реактор, установленный на самолете, может иметь одну хорошо защищенную сторону. Остальные пять сторон, не обращенные к кабине, могут иметь незначительную защиту.

Отсюда видно, что применение атомного двигателя в авиации является перспективным в первую очередь для самолетов-снарядов, ракет дальнего действия и управляемых на расстоянии снарядов, то есть тогда, когда на летающем аппарате нет экипажа и поэтому нет надобности устраивать тяжелую защиту от излучений реактора.

Атомные двигатели могут строиться по типу стационарных паросиловых установок (паровых двигателей) атомных электрических станций. Основными элементами оборудования таких двигателей являются: 1) ядерный реактор, играющий роль «топки», 2) парогенератор — «паровой котел» и 3) паровая турбина. Если вместо паровой турбины применить газовую турбину, приводимую в движение газом, нагреваемым в самом реакторе, то парогенераторы не потребуются. Такого типа атомные двигатели можно использовать на морских надводных и подводных кораблях и на железнодорожных локомотивах — атомовозах.

Расчеты показывают, что для морских кораблей, предназначенных для автономного плавания в морях и океанах, атомный двигатель уже в настоящее время оказывается в принципе целесообразнее любого другого двигателя. В соответствии с этим выводом находится решение XX съезда КПСС, предусмотревшего в своих директивах строительство первого в мире атомного ледокола «Ленин».

Первенец советского атомного судостроения могучий корабль. Макет ледокола дан на рис. 56. Основные данные его следующие: длина корпуса 134 м, максимальная ширина 27,6 м, водоизмещение 16 тыс. т, мощность атомных двигателей 44 тыс. л.с., скорость на чистой воде 18 узлов.

На ледоколе использована двухконтурная система теплопередачи, аналогичная той, которая с успехом работает на первой атомной электростанции СССР. Вода, выводящая тепло из реактора, использована в парогенераторах для превращения в пар воды второго контура. Пар поступит в турбогенераторы и приведет их во вращение. Таким образом, ядерная энергия будет превращаться здесь в электрическую, которая в свою очередь приведет в движение мощные моторы, соединенные с гребными валами.

Всем известны прославленные советские ледоколы «Ермак» и «Красин». Более 100 т угля в сутки расходует в плавании такой корабль, каждый месяц он вынужден пополнять запасы топлива, «бункероваться», как говорят моряки, хотя более 30% его помещений используется для хранения топлива. Вот почему эти ледоколы вынуждены плавать преимущественно в прибрежных арктических морях поблизости от портов и топливных баз.

Атомный ледокол не нуждается в частых пополнениях запасов топлива. Вследствие огромной «теплотворной способности» ядерного горючего корабль будет «сжигать» в сутки кусок урана 235 величиной примерно со спичечную коробку. Отсюда станет понятным, почему атомный ледокол сможет непрерывно действовать во льдах, не заходя в порты в течение 12 месяцев и более. В продолжительности плавания — главное достоинство атомного ледокола. Но у него есть и другие преимущества.

Ледокольные качества корабля обычно характеризуются его энерговооруженностью, которая определяется делением мощности его двигателей на водоизмещение. Энерговооруженность ветерана нашего арктического флота «Ермака» составляет 1 л.с. на тонну водоизмещения. У атомного ледокола она намного больше и равна 2,75 л.с. на каждую тонну.

Атомный ледокол «Ленин» наиболее крупный и самый мощный ледокол в мире. Он сможет уверенно проводить караваны судов в сплошных ледяных полях, удаляясь от базы на многие тысячи километров. И кто знает, может быть, именно атомный ледокол сможет осуществить в будущем мечту выдающегося русского моряка и флотоводца, создателя «Ермака» С. О. Макарова: «Пройти к полюсу напролом».

Атомные двигатели могут строиться не только по типу паросиловых установок, возможны и другие конструктивные решения, особенно необходимые для самолетов и ракет. Ядерные реакторы должны иметь в этом случае возможно более компактное устройство. Естественно поэтому предполагать, что широкое применение в атомных двигателях получат гомогенные реакторы, воспроизводящие частично ядерное горючее и имеющие относительно небольшие размеры.

Одним из перспективных гомогенных реакторов для атомных силовых установок является кипящий ядерный реактор («кипящий» котел), разработанный коллективом советских ученых во главе с акад. А. И. Алихановым в нескольких вариантах. В этом реакторе чистое ядерное горючее (уран 235, уран 233 или плутоний 239) применяется в виде взвеси в обыкновенной или тяжелой воде. При достижении критического объема, что осуществляется путем постепенного увеличения количества смеси, в ней идет цепная реакция. Раствор нагревается и кипит.

Расчеты показывают, что для небольшого кипящего гомогенного реактора на 1 тыс. квт электрической мощности потребуется 0,3–0,7 кг урана 235 и 200–300 кг тяжелой воды. При сооружении «кипящего» котла большей мощности относительное количество необходимых материалов сильно уменьшается.

Особенно выгодным становится применение кипящих котлов при значительном воспроизводстве ядерного горючего.

Расчеты советских ученых показывают, что вес атомного двигателя мощностью 15 тыс. л.с. будет значительно меньше веса газотурбинной установки такой же мощности.

Помимо тех двух путей использования атомной энергии, о которых рассказано выше, имеется еще один путь, связанный с применением радиоактивных веществ и излучений. Некоторые возможности для этого стали известны уже в первые десятилетия после открытия радиоактивности. Но исключительно высокая стоимость радия и продуктов его распада ограничивала их использование в основном лишь пределами научных лабораторий. Только после того как была открыта искусственная радиоактивность и возможность в ядерных реакторах сравнительно дешевого производства разнообразных радиоактивных изотопов, вопрос об их применении в народном хозяйстве мог быть решен.

Искусственные радиоактивные изотопы могут быть получены, как известно, при бомбардировке разных веществ заряженными частицами (альфа-частицами, протонами и т. д.) или нейтронами. Первый способ осуществляется в ускорителях заряженных частиц, а второй, имеющий бóльшее практическое значение, — в ядерных реакторах.

Ядерные реакторы позволяют получать радиоактивные изотопы в огромных количествах. Радиоактивные изотопы нескольких десятков химических элементов средней части периодической системы Менделеева получаются в реакторах сами собой как продукты деления — «шлаки»; поэтому стоимость их весьма невелика. Те же изотопы, которые отсутствуют в шлаках, могут быть произведены в реакторах путем облучения потоком нейтронов соответствующих веществ. Для такого облучения в защитной стенке реактора делаются специальные каналы, куда и помещаются на некоторое время облучаемые вещества. В результате бомбардировки этих веществ мощным потоком нейтронов, летящих из активной зоны реактора, и получаются радиоактивные изотопы. Сейчас имеется возможность получать радиоактивные изотопы любых химических элементов.

К концу шестой пятилетки количество радиоактивных изотопов, вновь рождаемых в ядерных реакторах Советского Союза, будет эквивалентно по крайней мере 10 тыс. т радия. Если вспомнить, что во всем мире к началу работ по атомной энергии имелось всего несколько килограммов радия, то станет ясным, что в настоящее время, в деле использования радиоактивных веществ происходит крупнейшая революция. Производство изотопов в столь больших масштабах обеспечивает дальнейшее расширение их использования в технике, сельском хозяйстве, медицине и в научных исследованиях. В директивах XX съезда КПСС указано: «Всемерно развивать работы по дальнейшему использованию радиоактивных излучений в промышленности, сельском хозяйстве и медицине, в частности, для контроля за качеством материалов, для управления производственными процессами и автоматического регулирования этих процессов, а также для диагностики и лечения различных болезней. Шире использовать применение меченых атомов в научно-исследовательских работах».

Расширение работ по применению радиоактивных излучений и изотопов должно дать в ближайшие годы крупный экономический эффект. Как указал в своем выступлении на XX съезде КПСС акад. И. Курчатов, широко применяя радиоактивные изотопы и излучения, например, в сельскохозяйственном производстве нашей страны, можно в ближайшие годы получить годовую экономию в миллиарды рублей.

Применению радиоактивных изотопов посвящена отдельная книжка[12] поэтому остановимся на этом кратко.

Одним из важных направлений применения радиоактивных изотопов является метод меченых атомов, упоминаемый в Директивах XX съезда КПСС. Мечеными атомами называют атомы радиоактивных веществ, потому что благодаря их излучению их всегда можно обнаружить и отличить от других атомов того же вещества. Чтобы дать представление об их применении, приведем несколько примеров.

Вводя в организм человека, животного или растения то или иное вещество с примесью небольшого количества меченых его атомов, можно по их излучению, регистрируемому, например, газовым счетчиком, установить пути и скорость распространения этого вещества, места накопления и выяснить ряд вопросов, важных для изучения биологических процессов. При этом методе жизненные процессы изучаются в их естественном течении, без каких-либо операций, нарушающих их нормальный ход.

С помощью меченых атомов была установлена скорость циркуляции крови. Для этого человеку вводили в руку подкожно раствор соли, меченный радиоактивными атомами натрия. Через 17 секунд газовый счетчик, зажатый в другой руке, отмечал появление радиоактивности.

При помощи меченого углерода было установлено, что углекислый газ поглощается листьями растений не только днем под действием света, как это думали раньше, но и ночью, в темноте, и притом не только листьями, но и корнями растений.

Много удивительных открытий было сделано в науке при помощи меченых атомов.

Значительное применение радиоактивные изотопы получают при контроле износа деталей машин, для определения скорости выгорания огнеупорного слоя кирпича в доменных печах и т. д. Для этого в изнашиваемую деталь (например, в поршневые кольца двигателей, шарикоподшипники, резцы, огнеупорный слой домны и т. д.) вводятся радиоактивные вещества. Во время работы такой детали продукты износа, содержащие меченые атомы, уносятся (смазкой, стружками обрабатываемой детали, расплавленным металлом) и могут быть зарегистрированы соответствующим счетчиком. По количеству приносимого радиоактивного вещества можно судить о величине износа. Метод меченых атомов отличается высокой чувствительностью. При его помощи можно заметить снашивание детали на одну стомиллионную долю грамма, причем измерение износа производится в процессе работы машины без остановки и разборки ее, что также имеет большое значение.

При помощи меченых атомов можно осуществить устройства, которые автоматически сигнализируют, когда износ ответственной детали какой-либо сложной машины, например мощной турбины гидроэлектростанции, достигает предельно допустимой величины. Для этого на заданной глубине от поверхности трущейся детали следует поместить небольшое количество радиоактивного изотопа. Как только деталь сносится на эту глубину, начнется стирание этого изотопа. Тогда в продуктах износа, уносимых смазкой, появятся меченые атомы, излучение которых и приведет в действие сигнальную аппаратуру.

Радиоактивные (ядерные) излучения также получили разнообразные применения. Гамма-излучение радиоактивного кобальта 60 широко используется, например, в промышленности для просвечивания всевозможных отливок и обнаружения в них раковин, трещин и других дефектов. Применявшиеся для этой цели рентгеновские лучи позволяли просвечивать лишь отливки небольшой толщины. Благодаря большой проникающей способности гамма-лучей удается просвечивать изделия толщиной до 20 см. Преимущество этого метода заключается еще и в том, что для его осуществления не нужны сложные установки, подобные рентгеновским.

При горячей прокатке необходим строгий контроль за толщиной металла. Для этого под прокатываемым изделием (лентой жести, например) помещается кобальт 60, гамма-излучение которого, проникая сквозь изделие, регистрируется соответствующим прибором. Чем больше толщина изделия, тем сильнее будут поглощаться лучи, тем меньше будет ток в регистрирующем приборе. Если связать этот прибор с механизмом, управляющим валками прокатного стана, то при увеличении толщины изделия автоматически произойдет увеличение давления валков, а при уменьшении толщины, наоборот, давление валков уменьшится. Таким образом, будет происходить автоматический контроль и регулирование толщины проката.

При определении толщины слабо поглощающих материалов (бумага, картон, целлофан и т. д.) используются сильнее поглощающиеся бета-лучи соответствующих изотопов. На применении радиоактивных излучений основан ряд контрольно-измерительных приборов для металлургии, химической, текстильной, бумажной и других отраслей промышленности.

В печати указывалось, что радиоактивные излучения могут использоваться для уничтожения электрических зарядов, накапливающихся на передней кромке крыла самолета вследствие трения о воздух. Кромка покрывается для этого радиоактивным веществом, излучения которого, ионизируя частицы воздуха, позволяют стекать статическим зарядам.

Многочисленными работами, проведенными в научных учреждениях Советского Союза, установлено, что радиоактивные излучения являются также мощным средством воздействия на различные вещества и процессы.

Стерилизующее действие радиоактивных излучений открывает возможность их практического использования для консервирования и пастеризации пищевых продуктов, для стерилизации медицинских и фармацевтических препаратов, для уничтожения вредителей зерна и борьбы с сельскохозяйственными вредителями в полевых условиях.

Разнообразным применениям радиоактивных изотопов и излучений была посвящена специальная Всесоюзная научно-техническая конференция, состоявшаяся в апреле 1957 г. в Москве. Об огромном размахе работы, ведущейся в этом направлении в Советском Союзе, можно судить хотя бы по тому, что на этой конференции было заслушано свыше 400 докладов по наиболее актуальным вопросам науки и техники, связанным с применением изотопов и радиоактивных излучений в народном хозяйстве и науке.