Машина-двигатель От водяного колеса до атомного двигателя, стр. 46

Когда такой газ получен, его прогоняют по трубам через целую серию пористых перегородок (сит), и каждая из таких перегородок, имеющих весьма маленькие поры, задерживает тяжелые атомы, пропуская лишь легкие. За последней перегородкой будет получен газ, в основном состоящий из сравнительно легких атомов урана-235. Теперь этот газ опять охлаждают до нормальной температуры, и в результате вновь образуется кусок металла, но уже состоящий из чистого изотопа 235. Надо сказать, что весь этот процесс получения U-235 очень сложный и дорогой. Стоимость урана U-235 очень высока. И если бы «атомный котел» пришлось заправлять таким дорогим горючим, вряд ли игра стоила бы свеч. Однако ученые нашли способ, при котором в котел можно закладывать обычный природный уран — смесь из U-238 и U-235, — и это значительно продвинуло вперед решение задачи.

Оказалось, что, при известном расчете, можно получить цепную реакцию урана-235 без его выделения из урана-238. Конечно, при этом «критическая масса» всего урана оказывается значительно больше килограмма, но зато как легко получить такое «топливо»! При этом, что совсем замечательно, можно так организовать работу котла, что «горючего», то есть делящегося материала, будет не убывать, а… прибавляться!

Не правда ли, чудеса? Где это видано, чтобы уголь, например, горел в топке не сгорая, а увеличиваясь количественно? С обычным топливом таких чудес не бывает, а вот с атомным… оказывается, нечто подобное возможно. Конечно, те ядра, которые разделились, уже не участвуют больше в реакции, но вместо одного выбывшего ядра, при известных условиях, может образоваться два новых, способных к делению ядра.

В чем же дело? Оказывается, что, если в ядро урана-238 попадает очень медленный нейтрон, он поглотится этим ядром. Образуется новый изотоп — уран-239. Изотоп этот нестойкий, из ядра выбрасывается электрон, отчего один из нейтронов становится протоном. Заряд ядра увеличивается на единицу, и появляется новый элемент, который назван «нептунием», с атомным весом 239 и зарядом 93 (Νρ-239), — это 93-й элемент таблицы Менделеева. Однако и этот элемент нестоек, — вскоре из ядра выбрасывается еще один электрон и заряд ядра возрастает до 94. Теперь, при том же атомном весе 239, появляется 94-й элемент, называемый «плутонием» (Рu-239). Этот элемент тоже радиоактивен и сравнительно стоек. Его время полураспада— двадцать четыре тысячи лет. Плутоний, так же как и уран-235, делится медленными нейтронами и потому может служить ядерным горючим.

Вот и выходит: есть способ организовать «горение» в атомном котле так, что взамен одного «сгорающего» топлива там будет образовываться другое топливо. Это новое топливо можно «сжигать» в этом же котле. Однако плутония можно получить больше, чем затрачено урана-235 — и тогда появляется возможность «размножать» топливо: отбирать из котла излишек и складывать на хранение, делать запас. Так создается еще один вид «атомного горючего».

Но наука обнаружила возможность таким же путем получить третий вид атомного горючего: уран-233. Под номером 90 в таблице Менделеева стоит металл торий (Th-232). Его запасы на земле в четыре раза превышают запасы урана. Если торий поместить в атомный котел, то, так же как U-238 превращается в Рu-239, так Th-232 превращается в U-233. А уран с атомным весом 233 обладает так же, как и уран-235, свойством делиться медленными нейтронами. Теперь становится ясно, что, при правильном расчете, атомный котел может работать с двойной пользой: и выделять нужную нам энергию и запасать новое топливо. Надо только обеспечить такую реакцию, при которой было бы достаточно свободных нейтронов.

Посмотрите на путь нейтронов в атомном котле.

Пути нейтронов в атомном котле.

Разделилось ядро. Один нейтрон попадает в ядро U-235 и способствует развитию цепной реакции. Другой нейтрон попадает в ядро U-238 и образует ядро плутония, а третий нейтрон вылетел. Вот вылетающих нейтронов должно быть как можно меньше.

Очень важное значение имеет замедлитель. Ведь почему в природных залежах урана не образуется цепной реакции? Да как раз потому, что уран в чистом виде в природе не содержится.

Встречается он только в виде соединений, а наличие посторонних ядер приводит к быстрому поглощению всех нейтронов. Цепная реакция оказывается невозможной.

Замедлитель в котле, рассчитанный определенным образом, лишь выполняет задачу создания медленных нейтронов. Котел, который был описан выше, имеет в качестве замедлителя графит — такой же, как в карандашах. Но могут быть и другие замедлители, например тяжелая вода (и даже обычная вода).

Что же такое атомный двигатель?

Итак, нам известно, как можно с помощью атомного котла получить тепло. Теперь познакомимся с тем, как это тепло можно превратить в механическую энергию. Посмотрите на схему установки с атомным двигателем. (Рисунок на стр. 192.)

Главную часть установки представляет собой уже знакомый нам атомный котел. Обратим внимание теперь не на внутреннее устройство этого котла, а на его связь с другими устройствами установки. От котла отходят две трубы. По нижней трубе с помощью специального насоса подается охлаждающая жидкость или газ. Проходя через котел, жидкость отбирает тепло и по верхней трубе попадает в другое очень важное устройство — теплообменник. Здесь горячая жидкость, проходя по змеевикам, отдает свое тепло воде, которая циркулирует вокруг змеевиков. Из змеевиков охладившаяся жидкость вновь попадает в насос и далее снова нагнетается в котел.

Вода же, которой охладитель котла передал тепло в теплообменнике, нагревается до парообразования. Таким образом, теплообменник, в сущности, является паровым котлом, где вместо горячих топочных газов по трубам циркулирует жидкость (или газ), несущая тепло от атомного котла.

Остальная часть схемы ничем не отличается от схемы, по которой работает обычная паровая турбина: пар из теплообменника поступает в турбину, отдает свою энергию, заставляет турбину вращаться и приводить в движение электрогенератор. Отработавший пар поступает в конденсатор, где он конденсируется, превращаясь в воду, а вода насосом вновь подается в теплообменник. Быть может, у вас возникает вопрос: зачем нужен теплообменник, нельзя ли заставить турбину работать паром, образующимся из той воды, которая подается непосредственно в атомный котел? Но не следует забывать двух обстоятельств: во-первых, на охлаждение атомного котла можно подавать не только воду, но и газ и жидкий металл — и это оказывается целесообразным, так как позволяет отводить из котла теплоноситель при более высокой температуре и более низких давлениях; а во-вторых, что особенно важно, «атомная вода» в реакторе обогащается радиоактивными частичками, и ее ни в коем случае нельзя пускать в свободное путешествие по трубам установки. Обратите внимание, что на рисунке не только атомный котел, но и теплообменник, и насос, и трубы, по которым циркулирует «атомная жидкость», заключены в бетонную защитную коробку. К ним доступ человеку закрыт, потому что здоровье человека не должно подвергаться испытанию радиоактивностью. Зато вода внешней циркуляции, не соприкасаясь с атомным котлом и не смешиваясь с «атомной водой», может свободно проходить по всем наружным трубам, поступать в турбину.

Но нельзя ли, однако, и самое турбину и генератор — всё замуровать в бетонный склеп, одни лишь провода вывести наружу? Можно, конечно, и так поступить, но что, если какая-либо из машин выйдет из строя? Как тут ее отремонтируешь, когда все части стали радиоактивными? А ведь если атомный котел и теплообменник не имеют подвижных частей (стержни безопасности можно не принимать в расчет), то в машинах все рабочие части подвижны и, значит, подвержены износам, могут поломаться.

Вот и выходит, что наиболее удачной надо признать схему установки с теплообменником.

Познакомившись со схемой атомной энергетической установки, вы вправе, конечно, спросить: а где же, собственно, атомный двигатель?