Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

Атомный ледокол не нуждается в частых пополнениях запасов топлива. Вследствие огромной «теплотворной способности» ядерного горючего корабль будет «сжигать» в сутки кусок урана 235 величиной примерно со спичечную коробку. Отсюда станет понятным, почему атомный ледокол сможет непрерывно действовать во льдах, не заходя в порты в течение 12 месяцев и более. В продолжительности плавания — главное достоинство атомного ледокола. Но у него есть и другие преимущества.

Ледокольные качества корабля обычно характеризуются его энерговооруженностью, которая определяется делением мощности его двигателей на водоизмещение. Энерговооруженность ветерана нашего арктического флота «Ермака» составляет 1 л.с. на тонну водоизмещения. У атомного ледокола она намного больше и равна 2,75 л.с. на каждую тонну.

Атомный ледокол «Ленин» наиболее крупный и самый мощный ледокол в мире. Он сможет уверенно проводить караваны судов в сплошных ледяных полях, удаляясь от базы на многие тысячи километров. И кто знает, может быть, именно атомный ледокол сможет осуществить в будущем мечту выдающегося русского моряка и флотоводца, создателя «Ермака» С. О. Макарова: «Пройти к полюсу напролом».

Атомные двигатели могут строиться не только по типу паросиловых установок, возможны и другие конструктивные решения, особенно необходимые для самолетов и ракет. Ядерные реакторы должны иметь в этом случае возможно более компактное устройство. Естественно поэтому предполагать, что широкое применение в атомных двигателях получат гомогенные реакторы, воспроизводящие частично ядерное горючее и имеющие относительно небольшие размеры.

Одним из перспективных гомогенных реакторов для атомных силовых установок является кипящий ядерный реактор («кипящий» котел), разработанный коллективом советских ученых во главе с акад. А. И. Алихановым в нескольких вариантах. В этом реакторе чистое ядерное горючее (уран 235, уран 233 или плутоний 239) применяется в виде взвеси в обыкновенной или тяжелой воде. При достижении критического объема, что осуществляется путем постепенного увеличения количества смеси, в ней идет цепная реакция. Раствор нагревается и кипит.

Расчеты показывают, что для небольшого кипящего гомогенного реактора на 1 тыс. квт электрической мощности потребуется 0,3–0,7 кг урана 235 и 200–300 кг тяжелой воды. При сооружении «кипящего» котла большей мощности относительное количество необходимых материалов сильно уменьшается.

Особенно выгодным становится применение кипящих котлов при значительном воспроизводстве ядерного горючего.

Расчеты советских ученых показывают, что вес атомного двигателя мощностью 15 тыс. л.с. будет значительно меньше веса газотурбинной установки такой же мощности.

Помимо тех двух путей использования атомной энергии, о которых рассказано выше, имеется еще один путь, связанный с применением радиоактивных веществ и излучений. Некоторые возможности для этого стали известны уже в первые десятилетия после открытия радиоактивности. Но исключительно высокая стоимость радия и продуктов его распада ограничивала их использование в основном лишь пределами научных лабораторий. Только после того как была открыта искусственная радиоактивность и возможность в ядерных реакторах сравнительно дешевого производства разнообразных радиоактивных изотопов, вопрос об их применении в народном хозяйстве мог быть решен.

Искусственные радиоактивные изотопы могут быть получены, как известно, при бомбардировке разных веществ заряженными частицами (альфа-частицами, протонами и т. д.) или нейтронами. Первый способ осуществляется в ускорителях заряженных частиц, а второй, имеющий бóльшее практическое значение, — в ядерных реакторах.

Ядерные реакторы позволяют получать радиоактивные изотопы в огромных количествах. Радиоактивные изотопы нескольких десятков химических элементов средней части периодической системы Менделеева получаются в реакторах сами собой как продукты деления — «шлаки»; поэтому стоимость их весьма невелика. Те же изотопы, которые отсутствуют в шлаках, могут быть произведены в реакторах путем облучения потоком нейтронов соответствующих веществ. Для такого облучения в защитной стенке реактора делаются специальные каналы, куда и помещаются на некоторое время облучаемые вещества. В результате бомбардировки этих веществ мощным потоком нейтронов, летящих из активной зоны реактора, и получаются радиоактивные изотопы. Сейчас имеется возможность получать радиоактивные изотопы любых химических элементов.

К концу шестой пятилетки количество радиоактивных изотопов, вновь рождаемых в ядерных реакторах Советского Союза, будет эквивалентно по крайней мере 10 тыс. т радия. Если вспомнить, что во всем мире к началу работ по атомной энергии имелось всего несколько килограммов радия, то станет ясным, что в настоящее время, в деле использования радиоактивных веществ происходит крупнейшая революция. Производство изотопов в столь больших масштабах обеспечивает дальнейшее расширение их использования в технике, сельском хозяйстве, медицине и в научных исследованиях. В директивах XX съезда КПСС указано: «Всемерно развивать работы по дальнейшему использованию радиоактивных излучений в промышленности, сельском хозяйстве и медицине, в частности, для контроля за качеством материалов, для управления производственными процессами и автоматического регулирования этих процессов, а также для диагностики и лечения различных болезней. Шире использовать применение меченых атомов в научно-исследовательских работах».

Расширение работ по применению радиоактивных излучений и изотопов должно дать в ближайшие годы крупный экономический эффект. Как указал в своем выступлении на XX съезде КПСС акад. И. Курчатов, широко применяя радиоактивные изотопы и излучения, например, в сельскохозяйственном производстве нашей страны, можно в ближайшие годы получить годовую экономию в миллиарды рублей.

Применению радиоактивных изотопов посвящена отдельная книжка [12]поэтому остановимся на этом кратко.

Одним из важных направлений применения радиоактивных изотопов является метод меченых атомов, упоминаемый в Директивах XX съезда КПСС. Мечеными атомами называют атомы радиоактивных веществ, потому что благодаря их излучению их всегда можно обнаружить и отличить от других атомов того же вещества. Чтобы дать представление об их применении, приведем несколько примеров.

Вводя в организм человека, животного или растения то или иное вещество с примесью небольшого количества меченых его атомов, можно по их излучению, регистрируемому, например, газовым счетчиком, установить пути и скорость распространения этого вещества, места накопления и выяснить ряд вопросов, важных для изучения биологических процессов. При этом методе жизненные процессы изучаются в их естественном течении, без каких-либо операций, нарушающих их нормальный ход.