Майкл ДиМеркурио - Подводные лодки

Трубопровод системы охлаждения реактора состоит из двух петель, двух кругов, по которым вода проходит путь от реактора до паровых котлов и обратно. Но инженеры-атомщики называют его реактором, использующим воду под давлением, система охлаждения которого состоит из двух петель. Основная охлаждающая жидкость реактора никогда не контактирует с атмосферой. Она циркулирует, нагревается и нагревает воду во вторичной петле, пока она не превратится в пар. Поэтому паровая петля нерадиоактивна, что ведет к повышенной безопасности.

Но в реакторе, который использует кипящую воду, дело обстоит иначе: вода кипит в активной зоне реактора, и получающийся в результате этого пар поступает к турбинам. Это гораздо более сложная в обращении система, потому что паровая часть реактора имеет такую же степень радиоактивности, как и сам реактор. Кроме этого, паровая турбина требует проведения очистных процедур. ВМФ выбрал реакторы, использующие воду под давлением, а не паровые реакторы, потому что первые гораздо более стабильны в работе.

Под стабильностью здесь понимается тот факт, что изменения в реакторе не ведут к его разрушению или неконтролируемой ядерной реакции. Например, обычный реактор, использующий воду под давлением, работает на 30 % мощности. Теперь попробуйте открыть дроссели и довести мощность до 50 %, забрав больше пара из паровых котлов. Когда вы проделываете это, паровые котлы забирают тепловую энергию из основной охлаждающей жидкости, поэтому жидкость, покидающая котлы, имеет более низкую температуру. Эта вода пониженной температуры попадает в реактор. Она имеет более высокую плотность, чем предыдущая порция жидкости, поэтому основная охлаждающая жидкость является ещё и модератором, то есть эта вода замедляет нейтроны, чтобы они могли участвовать в реакциях, и сводит к минимуму утечку нейтронов, вследствие этого меньшее количество нейтронов вырывается из активной зоны реактора, повышая мощность реактора.

Эффективное замедление нейтронов тоже повышает мощность реактора. При запуске дроссели открываются, повышая мощность активной зоны реактора. Другими словами, мощность реактора последовала за необходимостью подачи пара, и, следовательно, активная зона реактора остаётся стабильной.

С реактором, использующим кипящую воду, ситуация иная. В нем, когда дроссель открыт, давление в трубе, через которую из реактора выходит пар, надает. При этом в реакторе образуется больше пара, а значит, повышается мощность. Но подождите, ведь по сравнению с жидкой водой пар является плохим модератором, поэтому нейтроны начинают просачиваться из активной зоны реактора, меньшее количество нейтронов замедляется. Поэтому мощность реактора падает. Вы хотели больше мощности, а реактор выдает меньше! В этом случае вам придется вмешаться, используя клапаны повышенного давления Руба Голдберга, чтобы стабилизировать ситуацию.

А теперь представим ещё более ужасную ситуацию: вы требуете от реактора меньше пара. Если вы закроете дроссельные клапаны, забирая меньше пара, потому что вам необходимо меньше мощности, давление пара в реакторе возрастет и пузырьки пара в реакторе взорвутся. Что только что было паром, становится водой, а вода хороший модератор. Поэтому мощность реактора возрастет. Вы просили меньше мощности, а реактор выдает вам больше! Снова от вас требуется для стабилизации ситуации частичное вмешательство в систему. По мнению адмирала Риковера, такая система является менее безопасной.

Вы, наверное, заметили, что мы говорим о воде, имеющей температуру 260 °C, как будто таковая существует в природе. Но как же такое может быть? Вы слышали, что вода закипает при температуре 100 °C. Иначе как вы приготовите макароны?

Каким-то образом ВМФ удалось заставить воду оставаться в жидком состоянии при этой температуре. Как они этого добились? Часть ответа состоит в следующем: воде требуется очень обширное помещение, чтобы превратиться в пар, потому что пар занимает куда большее пространство, чем жидкость такого же объема. Представьте себе, что вы решили сварить макароны и налили воды до краев кастрюли, а потом приварили крышку. Когда температура воды повысится, там не будет никакого пара, потому что под крышкой слишком мало места для молекул воды, чтобы удалиться на достаточное расстояние. Вода останется жидкостью. Вообще-то вы могли бы и дальше нагревать воду до температуры 260 °C. Но тут существует один момент: вода внутри кастрюли будет испытывать огромное давление (оно повысится с атмосферного 1 атм до чудовищного давления 115 атм).

Поэтому в основной системе охлаждения есть специальная ёмкость, соединённая с системой трубой (вода переносит давление). Эта ёмкость называется аппаратом повышенного давления, и её основная функция состоит в том, чтобы поддерживать давление внутри системы на отметке 115 атм.

Нагреватели нагревают воду в аппарате повышенного давления и создают пузырьки пара внутри неё, где вода и пар сосуществуют при 325 °C и давлении 115 атм так же, как вода и пар сосуществуют при температуре 100 °C и давлении 1 атм.

Если нагреватели аппарата повышенного давления выйдут из строя, давление основной охлаждающей жидкости будет падать, пока реактор не начнет кипятить воду. Это неполадка в работе реактора, известная как «потеря давления»: она оказывает похожее воздействие на ситуацию, называемую «недостатком охлаждения».

Для предотвращения утечки охлаждающей жидкости и неполадок в системе охлаждения реактора в трубопроводе основной системы охлаждения были установлены специальные клапаны вблизи реактора. Если одна из петель системы охлаждения даст течь, оператор дает сигнал с панели управления реактором на закрытие прерывающих клапанов системы и предотвращает потерю охлаждающей жидкости. В результате этого при помощи гидравлического привода в трубопровод опускается большая пластина. Но система спроектирована таким образом, что вместо использования гидравлического масла, она использует саму охлаждающую жидкость, поступающую из клапана водяных, ёмкостей из нержавеющей стали, в которых вода находится под давлением. Для изоляции аппарата повышенного давления можно использовать при необходимости ещё один изоляционный клапан.

• Силовой установкой называют всё, что обычно находится в задней части подлодки и состоит из реактора, парового двигателя и цепи зубчатых передач.

• Модератор — вещество, которое замедляет активные быстрые нейтроны, образующиеся при распаде урана в результате молекулярных столкновений. Это похоже на замедление бильярдного шара при столкновении его с другим шаром.

• Риковер потребовал от своих инженеров полностью закрытый, законсервированный насос, который будет использовать основную охлаждающую жидкость для того, чтобы она циркулировала вокруг мотора.

• Вода в реакторе разогревается до гораздо больших температур, чем точка кипения, но она остается жидкостью из-за того, что находится под давлением.

Глава 13

Вырабатываем энергию, часть 2

• Как избежать риска воздействия радиации.

• Радиоактивность.

• Как дышать под водой.

• Смыв.

Вы можете избежать рисков, связанных с радиацией, тремя способами: это — время, расстояние и экранирование. Время: мы имеем в виду сведение к минимуму времени контакта с радиацией. Расстояние: мы имеем в виду тот факт, что уровень радиации в носовом отсеке подлодки ниже, чем в экранированном тоннеле реакторного отсека. Уровень радиации снижается с расстоянием. И, наконец, экранирование — это способ оградить ваше тело от прямого действия радиации.

Одним из способов экранирования является использование свинца. Свинец не пропускает гамма-излучение, которое похоже на рентгеновские лучи. Гамма-лучи — это электромагнитные волны, которые разрушают ткани. Подобно тому, как раковые больные чувствуют слабость при лечебном облучении, гамма-излучение из реактора заставит вас чувствовать радиационную слабость, если вы не защищены свинцовым экраном или экраном из какого-либо другого тяжёлого элемента.

Нейтронное излучение можно оградить чем-то, содержащим водород Н2, потому что он представляет собой протон с вращающимся вокруг него электроном. Протон имеет такую же массу, как и нейтрон, а по законам физики объект замедляется лучше всего при столкновении с другим объектом такой же массы. Если вы хотите замедлить бильярдный шар, то попробуйте сначала ударить им о борт стола. Это столкновение с объектом большой массы нисколько не снижает скорость шара. Но когда вы ударяете шаром по скоплению таких же шаров, после нескольких столкновений он остановится, потому что шары поглощают кинетическую энергию шара.