Ефим Балабанов - Ядерные реакторы

Сравнение количества оборудования, материалов и некоторых работ, необходимых для сооружения электростанций разных типов мощностью по 100 тысяч киловатт, приведенное в табл. 3, говорит в пользу атомных электростанций.

Таблица убедительно показывает, что материальные затраты на оборудование атомной электростанции значительно меньше, чем для угольной. Это объясняется прежде всего тем, что атомной станции не нужны большие топливные склады, сложные системы подачи топлива, углеразмольные мельницы, золоудаляющие и другие сооружения, характерные для угольных электростанций.

Атомная электростанция уже сейчас более экономична, чем тепловая, удаленная от месторождения угля или работающая на низкосортном топливе. Для того чтобы обеспечить атомную станцию мощностью 100 тысяч киловатт горючим на один год, требуется всего один рейс грузового самолета. Для угольной же станции той же мощности необходимо ежедневно подавать 20–30 вагонов угля.

Сравнение характеристик атомной и угольной электростанций мощностью по 100 тысяч киловатт указывает на рентабельность строительства электростанций, аналогичных первой промышленной атомной электростанции в СССР. Разработанный советскими учеными вариант мощной атомной электростанции имеет неоспоримое преимущество перед другими возможными вариантами, так как он основывается на опыте действующей электростанции.

Однако, как мы видели, тип реактора, избранный в атомной станции Академии наук, не является единственным. Разнообразие реакторов, которые могут быть применены для энергетических целей, весьма велико.

Так, например, если взять тот же гетерогенный реактор с замедлителем из графита, то в качестве теплоносителя может быть использована не только вода, но и различные газы и металлы. Если отводить тепло водой под высоким давлением, как это сделано в реакторе первой атомной электростанции СССР, то сравнительно низкая температура теплоносителя (260 градусов) не позволяет получить высокий коэффициент полезного действия турбогенератора. Это большой недостаток схемы подобного типа.

Для получения пара с температурой 375 градусов давление в первичном контуре придется поднять выше 225 атмосфер. При этом необходимо увеличить прочность конструкций рабочих каналов и реактора, а это потребует введения в активную зону дополнительного количества поглощающих нейтроны материалов (стали). Для осуществления устойчивой цепной реакции нужно будет увеличить содержание урана 235в тепловыделяющих элементах реактора. Увеличение стоимости ядерного горючего не будет компенсировано улучшением коэффициента полезного действия электростанции. Тем не менее, как это показано на примере работы первой атомной электростанции СССР и расчета советских ученых, строительство атомных электростанций на реакторах такого типа экономически вполне оправдывается.

При использовании газового охлаждения нет нужды создавать в каналах реактора очень большие давления. Но так как газ обладает очень малой теплоемкостью, то для отвода тепла нужно очень большое его количество продувать через реактор. Это вызывает значительные затраты энергии и является существенным недостатком газового охлаждения энергетических ядерных реакторов.

Примером может служить описанный раньше английский реактор ВЕРО, где для отвода тысяч киловатт тепловой мощности требуются воздуходувки, продувающие 5400 кубометров воздуха в минуту.

Охлаждение жидким металлом совмещает в себе достоинства газового и водяного охлаждения. Расплавленные металлы обладают высокой температурой кипения и поэтому позволяют избежать высоких давлений в первичном контуре реактора. Большая по сравнению с газами теплоемкость металла не вызывает необходимости прогонять через реактор большие массы теплоносителя. Одним из самых приемлемых теплоносителей такого типа является легкоплавкий металл натрий.

Если в графитовом реакторе заменить воду натрием, то при давлении теплоносителя 5–10 атмосфер можно значительно поднять температуру в первичном контуре и получить коэффициент полезного действия атомной электростанции, превышающий 30 процентов.

Натрий сравнительно слабо поглощает нейтроны, и поэтому в больших реакторах такого типа можно обойтись ураном с малым обогащением (около одного процента). Если же применять урановые элементы, покрытые цирконием или слоем очень тонкой стали, то можно работать и на природном уране. Графито-натриевые реакторы в ближайшее время будут применяться в энергетических установках. Недостатком натриевого охлаждения является довольно высокая радиоактивность натрия. Вследствие этого первичный контур, выполненный с расплавленным натрием, трудно обслуживать.

В атомных электростанциях вполне возможно также применение гомогенных и гетерогенных реакторов, где в качестве замедлителя используется тяжелая или простая вода.

Общий недостаток всех описанных выше реакторов заключается в том, что вырабатываемая в них энергия получается в основном за счет урана 235. В будущей атомной энергетике, по всей вероятности, главную роль будут играть размножающие реакторы, в которых атомная энергия выделяется из природного урана и тория. В этом направлении и работают советские ученые. Так, академик А. И. Алиханов с сотрудниками разработали схему гомогенного размножающего реактора с кипящей водой, о которой было рассказано в предыдущем разделе.

Значение развития ядерной энергетики огромно. Дело не только в стоимости электроэнергии. Перевод тепловых электростанций на ядерное топливо даст возможность передать огромные количества угля и нефти химической промышленности. При их химической переработке получается много весьма ценных и необходимых нам материалов. Запасы угля и нефти на земле не так уж велики, и, вероятно, через 30–40 лет будет считаться варварством сжигать химическое сырье в топке паровых котлов. Вся потребность человечества в электрической энергии будет обеспечена гидроэлектрическими и ядерными станциями.

Имеется у ядерных электростанций и ряд других преимуществ.

В приведенной на рис. 64 сравнительной диаграмме видна работа тепловой и атомной электростанций. Слева размещено сырье, необходимое для выработки электроэнергии, справа — продукция электростанций.

Тепловая электростанция требует для своей работы большое количество топлива, воды и воздуха. При ее эксплуатации получаются газообразные отходы в виде дыма, содержащего большое количество золы и несгоревшего угля. Этот дым загрязняет атмосферу городов и поселков.