Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

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.