Машина-двигательОт водяного колеса до атомного двигателя

«Атомный котел», оказывается, вовсе не похож на такие котлы. Да и название «котел» можно отнести к нему лишь условно. Часто атомные котлы называют еще «реакторами». Представим себе круглое или квадратное бетонное здание без окон и дверей. Трудно подумать, что это котел. Глухая бетонная коробка. Наружу, сквозь бетон, выступают только несколько труб да какие-то стержни… Никакой топки с огнем, — тепло выделяется внутри такого котла без всякого огня.

Сердцевина «котла» представляет собой графитовый блок: ряд положенных друг на друга столбиком толстых графитовых плит. В плитах в определенном порядке просверлены отверстия, в которые вложены стержни из металлического урана.

Словно конфету, графитовый блок с урановой начинкой снаружи обертывают сначала тонким слоем металла бериллия, а затем очень толстым слоем бетона (от одного до пяти метров).

Вот и получается огромное сооружение. Первый реактор, построенный в 1942 году американцами, имел размеры 10х10х7 м, то есть занимал объем солидного двухэтажного дома.

Зачем же такое нагромождение?

Для того, чтобы понять назначение графита, бериллия, бетона и еще кое-каких частей «котла», о которых будет сказано дальше, вернемся к «критической массе» урана. Без такой массы нельзя выделить атомную энергию.

Итак, нам известно, что если изготовить килограммовый кусок урана, имеющего атомный вес 235 (изотоп U-235), то в таком куске окажется возможной цепная реакция и произойдет мгновенное выделение огромного количества тепла.

Но почему же так быстро произойдет деление такого большого количества ядер урана? Да потому, что вылетающие нейтроны обладают колоссальными скоростями — до 10–15 тысяч километров в секунду! Понятно, что в небольшом куске урана взметнувшийся и молниеносно нарастающий вихрь нейтронов в течение каких-то весьма малых долей секунды сделает свое дело — расщепит все встречные ядра.

А нужна ли для ядер урана-235 бомбардировка такими быстрыми нейтронами? Ведь эти ядра могут даже самопроизвольно распадаться… По-видимому, достаточно было бы получить от нейтрона и несравненно менее сильный толчок.

И действительно, ученым удалось установить, что как раз очень медленными нейтронами, двигающимися со скоростью всего лишь 3 километра в секунду, ядра урана-235 лучше всего расщепляются.

Ну, а раз так, то, значит, есть возможность замедлить и весь процесс выделения энергии в «критической массе», — надо только эту массу рассредоточить, проложив между кусочками урана какие-либо прокладки, пробираясь через которые нейтроны снижали бы свою скорость.

Правда, при этом необходимо обеспечить цепную реакцию, то есть принять меры, чтобы нейтроны не вылетали куда-либо наружу.

Вот так и возникла идея «атомного котла».

Графитный блок как раз и используется в качестве замедлителя нейтронов. Металлические стержни урана все вместе составляют «критическую массу» и распределены в блоке так, чтобы нейтроны, проходя через толщу графита, замедляли свою скорость. А бериллиевая оболочка нужна для того, чтобы отражать те нейтроны, которые, не встретив на своем пути ядер, стремятся вылететь наружу. Такой «отражатель нейтронов» позволяет уменьшить величину «критической массы».

Для чего же служит бетон?

Оказывается, что при делении урановых ядер образуется много радиоактивных осколков. Атомный котел всё время испускает радиоактивные лучи очень сильной интенсивности, вредной для людей. Бетонная стена и создает необходимую защиту, предохраняя обслуживающий персонал от вредоносных γ — лучей и нейтронов.

Но не может ли такой котел взорваться? А вдруг цепная реакция пойдет всё же быстрее, чем нам хотелось бы?

Ученые установили, что взрыва опасаться не следует, но разрушиться от очень высокой температуры котел может. На этот случай, кроме урановых стержней, в графитовый слой вставляется еще несколько стержней из металла кадмия. Кадмий жадно захватывает нейтроны и как бы тушит реакцию. Однако кадмиевые стержни должны вступать в действие только в опасные моменты, поэтому в нормальных условиях они выдвигаются из котла, а как только температура в котле начинает значительно расти, их вдвигают. С их помощью можно регулировать количество выделяемого тепла.

Да, но куда же девается это выделяющееся тепло? Ведь его-то как раз нам и нужно использовать?

Чтобы тепло отвести, через котел пропускают охлаждающую воду или какой-либо другой охладитель (газ, расплавленный металл). В котле, на котором работает первая в мире атомная электростанция Советского Союза, охлаждение производится водой, подающейся в каналы графитового блока под давлением. Под давлением эту воду подают для того, чтобы получить возможность ее нагревать до высокой температуры без превращения в пар и тем самым отводить больше тепла. Эта вода и является средством передачи тепла от котла к тепловому двигателю.

Но, прежде чем говорить о двигателе, поговорим подробнее об «атомном горючем», на котором работает котел.