Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

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 батарейили 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.