Александр Проценко - Энергия будущего
Мощность растет. Звонко щелкают динамики — это электрические импульсы, создаваемые нейтронами в счетчиках, с помощью усилителей превращаются в звук.
Щелчки динамиков учащаются: барабанная дробь сменяется пулеметной очередью, а затем и вовсе нельзя различить отдельные щелчки — все сливается в сплошной гул. Реактор стал надкритическим. И. Курчатов тут же оценил мощность: «Вот они, первые сто ватт от цепной реакции делений!»
Потом каждому пожал руку и поздравил с победой.
Реактор был пущен в 18 часов 25 декабря 1946 года.
Пока задачу приходится сводить к предыдущей
До сих пор мы еще не говорили, в каком виде выделяется энергия при делении атомного ядра. Очевидно, что часть ее связана с нейтронами, вылетающими при делении. Обладая огромной скоростью в 20 тысяч километров в секунду, они несут энергию в 5 Мэв на деление, что составляет 2,5 процента всей энергии разделившегося ядра. На гамма-излучение и на электроды приходится 10 процентов. Около 6 процентов уносит с собой нейтрино, причем уносит безвозвратно. И, наконец, 81,5 процента (или 88, если не учитывать всепроникающее нейтрино) приходится на осколки, те новые ядра, которые образуются при делении урана-235. Если ядро разделится точно пополам, отдав одинаковое количество энергии каждой половинке, то новое ядро-осколок будет лететь со скоростью двух тысяч метров в секунду. Обладая такой скоростью и массой, более чем в сто раз превышающей массу нейтрона, летящие осколки и уносят основную долю энергии, выделяющейся при делении.
Сталкиваясь с окружающими молекулами, они передают им свою энергию, и те начинают двигаться быстрее, интенсивнее. А увеличение скорости движения молекул вещества есть не что иное, как повышение его температуры. Так энергия деления ядра переходит в тепловую энергию движения молекул урана.
В реакторах уран находится в виде стерженьков или таблеток, выполненных из двуокиси урана и заключенных в металлическую оболочку. Из какого металла надо делать оболочки? Конечно, прочнее они были бы из нержавеющей стали. Но она очень сильно поглощает нейтроны и замедляет процесс деления. Поэтому идут: на компромисс, используя материал менее прочный и температуростойкий, но зато слабо поглощающий нейтроны. Обычно берут цирконий или сплавы этого металла.
Стержень из двуокиси урана, помещенный в герметичную циркониевую трубку, называют тепловыделяющим элементом — сокращенно «твэл». Если тепло от твэла не отводить, то температура его будет непрерывно повышаться, в конце концов он раскалится, затем размягчится — реактор «сгорит».
Каждый тепловыделяющий элемент реактора можно было бы сравнить с вытянутой в линию спиралью электрической плитки. Из нескольких тысяч таких «спиралек» составлена центральная часть реактора. Эту его часть называют активной зоной. Каждая «твэл-спиралька» отдает энергию куда большую, чем спираль электроплитки.
Напряженность работы поверхности тепловыделяющего тела, через которую передается тепло, теплотехники определяют по количеству тепла, отдаваемого единицей поверхности в единицу времени. Так, спираль электроплитки работает в довольно напряженных условиях — через каждый квадратный сантиметр ее поверхности в час проходит 4 килокалории тепла. Уже при такой тепловой нагрузке спираль накаляется докрасна.
В 25 раз больший тепловой поток идет через поверхность твэла активной зоны энергетического реактора.
Он составляет в час 100 килокалорий на один квадратный сантиметр, и тем не менее оболочка твэла докрасна не раскаляется, да до этого цирконий и нельзя допустить — он расплавится.
Как же удается снижать температуру оболочки? Конечно, хорошим отводом от твэла тепла. Наверное, многие замечали, что, если подуть на спираль электроплитки, она потемнеет, значит, температура ее понизилась, хотя количество тепла при этом выделяется то же самое. А температура понижается потому, что стало лучше отводиться тепло; и чем с большей скоростью будет отводиться тепло, тем меньшей будет температура спирали.
В большей части существующих сейчас энергетических реакторов энергия деления отводится от тепловыделяющих элементов примерно так же, но не с помощью воздуха, а воды. Охлаждающая вода поступает по трубе в нижнюю часть корпуса реактора, а затем попадает в каналы с тепловыделяющими элементами. В каждом канале может быть собрано 100–200 тепловыделяющих элементов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Протекая с большой скоростью мимо твэлов, вода охлаждает их и, нагреваясь, выходит через трубы, расположенные сбоку в верхней части корпуса реактора. Путем такого интенсивного охлаждения и удается снизить температуру оболочки твэлов. Такова общая схема отвода тепла из активной зоны реактора.
Конечно, она не нова. Так же с помощью воды, только текущей по трубкам, отбирается тепло раскаленных газов в топках паровых котлов электростанций, работающих на органическом топливе.
Есть у математиков такой метод решения: новую сложную задачу упрощают, разбивая ее на части до тех пор, пока она не станет похожей на какую-нибудь другую задачу, которая уже была решена раньше. Говорят — задача сведена к предыдущей. В этой связи следует заметить такой шутливый рассказ, бытующий среди учащихся. Двум студентам — математику и механику предложили почти без всяких инструментов вытащить из стены забитые по шляпку гвозди. После долгих усилий эту задачу решили оба. Затем гвозди забили в стену только наполовину. Студент-механик сразу же вытащил гвоздь, а математик сначала свел задачу к предыдущей — забил гвоздь по шляпку, а потом уж испытанным способом вытащил его. Конечно, это шутка. Рассказана же она потому, что создатели атомных энергетических установок во многих случаях поступают подобно студенту-математику.
Как очевидно, задача большой части энергетических установок — это получение электричества: наиболее удобной и гибкой формы энергии. Проследим цепочку получения электрической энергии на тепловых станциях.
В топках паровых котлов электростанций сгорают уголь, нефть или газ. Тепло, выделяемое при горении, передается другому веществу, например воде. Вода разогревается и превращается в пар. Пар, выходя из котла, направляется в турбину. В ней энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения турбины. И наконец, последняя ступень — турбина вращает генератор, вырабатывающий электрический ток.
Таков долгий, но пока почти единственно возможный путь масштабного получения электрической энергии из топлива. Теперь на смену химическому топливу приходит энергия ядра. В самом факте освобождения внутриядерной энергии заложены совершенно новые большие потенциальные возможности. Во-первых, выделяющуюся энергию можно сконцентрировать в очень небольшом объеме. Другими словами, может быть достигнута громадная плотность энерговыделения. Во-вторых, для осуществления процесса выделения ядерной энергии не нужно непрерывно вводить в установку какие-то иные, кроме топлива, вещества, без которых энерговыделение невозможно (имеется в виду кислород в топке обычных котлов). Кроме того, и само топливо вводится крайне редко. В-третьих, почти отпадает необходимость в обязательном удалении новых продуктов, возникающих в процессе энерговыделения: золы, шлаков, газов — непременных спутников процесса горения угля, сланцев, торфа, нефти. В-четвертых, количество ядерного горючего, нужного для работы реактора, в миллионы раз меньше количества химического топлива, обеспечивающего такую же выработку энергии. И наконец, в-пятых, в отличие от химических реакций (если не говорить о взрывных процессах) при выделении внутриядерной энергии могут быть получены любые необходимые температуры источника тепла.
Да, возможности громадные! Но пока… задачу получения электроэнергии приходится сводить к предыдущей, то есть превращать энергию атома в энергию пара и направлять его в турбину. Почему пока?
В кабинетах физиков-теоретиков, в конструкторских бюро, на экспериментальных установках и реакторах — везде ведутся поиски и разрабатываются новые, более совершенные пути использования энергии атома. Здесь и прямые газотурбинные циклы, и магнитогидродинамические установки, и прямое преобразование тепла в электроэнергию. Трудно сказать, когда все эти новые методы войдут в жизнь. Поэтому посмотрим, как же решается эта задача сейчас.
Вода, нагретая в активной зоне, выходит из реактора и по трубопроводу поступает в парогенератор — сосуд с очень большим количеством трубочек, по которым и течет нагретая вода. Из парогенератора вода перекачивается насосом снова в активную зону. Получается замкнутый контур, из которого вода никуда не уходит: реактор — парогенератор — насос — реактор.
Вода, циркулируя в этом замкнутом контуре, забирает тепло в активной зоне и отдает его в парогенераторе воде второго контура.
