Механизм энерговыделения
Превращение вещества сопровождается выделением свободной энергии лишь в том случае, если вещество обладает запасом энергий. Последнее означает, что микрочастицы вещества находятся в состоянии с энергией покоя большей, чем в другом возможном, переход в которое существует. Самопроизвольному переходу всегда препятствует энергетический барьер, для преодоления которого микрочастица должна получить извне какое-то количество энергии — энергии возбуждения. Экзоэнергетическая реакция состоит в том, что в следующем за возбуждением превращении выделяется энергии больше, чем требуется для возбуждения процесса. Существуют два способа преодоления энергетического барьера: либо за счёт кинетической энергии сталкивающихся частиц, либо за счёт энергии связи присоединяющейся частицы.
Если иметь в виду макроскопические масштабы энерговыделения, то необходимую для возбуждения реакций кинетическую энергию должны иметь все или сначала хотя бы некоторая доля частиц вещества. Это достижимо только при повышении температуры среды до величины, при которой энергия теплового движения приближается к величине энергетического порога, ограничивающего течение процесса. В случае молекулярных превращений, то есть химических реакций, такое повышение обычно составляет сотни кельвинов, в случае же ядерных реакций — это минимум 107 K из-за очень большой высоты кулоновских барьеров сталкивающихся ядер. Тепловое возбуждение ядерных реакций осуществлено на практике только при синтезе самых лёгких ядер, у которых кулоновские барьеры минимальны (термоядерный синтез).
Возбуждение присоединяющимися частицами не требует большой кинетической энергии, и, следовательно, не зависит от температуры среды, поскольку происходит за счёт неиспользованных связей, присущих частицам сил притяжения. Но зато для возбуждения реакций необходимы сами частицы. И если опять иметь в виду не отдельный акт реакции, а получение энергии в макроскопических масштабах, то это возможно лишь при возникновении цепной реакции. Последняя же возникает, когда возбуждающие реакцию частицы снова появляются, как продукты экзоэнергетической реакции.
Конструкция
Любой ядерный реактор состоит из следующих частей:
· Активная зона с ядерным топливом и замедлителем;
· Отражатель нейтронов, окружающий активную зону;
· Теплоноситель;
· Система регулирования цепной реакции, в том числе аварийная защита;
· Радиационная защита;
· Система дистанционного управления.
Управление ядерным реактором
Управление ядерным реактором возможно только благодаря тому, что часть нейтронов при делении вылетает из осколков с запаздыванием, которое может составить от нескольких миллисекунд до нескольких минут.
Для управления реактором используют поглощающие стержни, вводимые в активную зону, изготовленные из материалов, сильно поглощающих нейтроны (в основном В, Cd и некоторые др.) и/или раствор борной кислоты, в определённой концентрации добавляемый в теплоноситель (борное регулирование). Движение стержней управляется специальными механизмами, приводами, работающими по сигналам от оператора или аппаратуры автоматического регулирования нейтронного потока.
Ядерные реакторы проектируются так, чтобы в любой момент времени процесс деления находился в устойчивом равновесии относительно малых изменений параметров, влияющих на реактивность. Таким образом, случайное изменение скорости ядерной реакции гасится, а вызванное перемещением управляющих стержней или медленным изменением других параметров — приводит к квазистационарному изменению мощности реактора
На случай различных аварийных ситуаций в каждом реакторе предусмотрено экстренное прекращение цепной реакции, осуществляемое сбрасыванием в активную зону всех поглощающих стержней — система аварийной защиты.
Важной проблемой, непосредственно связанной с ядерной безопасностью, является остаточное тепловыделение. Это специфическая особенность ядерного топлива, заключающаяся в том, что, после прекращения цепной реакции деления и обычной для любого энергоисточника тепловой инерции, выделение тепла в реакторе продолжается ещё долгое время, что создаёт ряд технически сложных проблем.
Хотя мощность остаточного тепловыделения быстро спадает до величин, малых по сравнению со стационарными значениями, в мощных энергетических реакторах она значительна в абсолютных величинах. По этой причине остаточное тепловыделение влечёт необходимость длительное время обеспечивать теплоотвод от активной зоны реактора после его остановки. Эта задача требует наличия в конструкции реакторной установки систем расхолаживания с надёжным электроснабжением, а также обуславливает необходимость длительного (в течение 3-4 лет) хранения отработавшего ядерного топлива в хранилищах со специальным температурным режимом — бассейнах выдержки, которые обычно располагаются в непосредственной близости от реактора.
А сейчас продолжим говорить про ЯСУ.
Основная сфера применения ЯСУ — морской флот, как надводный, так и подводный. Также может быть использована в автомобильном, железнодорожном, авиационном и космическом транспортном средстве.
ЯСУ перед прочими силовыми установками на обычном топливе предоставляет практически неограниченную автономность передвижения (дальность хода), и большую мощность двигателей: и как следствие, возможность длительно использовать высокую скорость движения, транспортировать более тяжёлые грузы и способность работать в тяжёлых условиях.
В конце XX века было много проектов по использованию атомной энергии в бытовых целях.
Например, компания Home в 1958 году создала концепт-кар Home Nucleon с ЯСУ. В середине 1980-х годов в НСЛР писали, что, возможно, скоро будет создан атомный пылесос. Кроме этого в оборонной промышленности НСЛР разрабатывались: атомный танк, атомовоз, атомолёт и ядерный ракетный двигатель, но к сожалению, из-за малого развития в данной сфере, проекты были заброшены. В НСЛР газета «Латвия » в 1982 году писала:
«Конечно, атомный локомотив будет значительно тяжелее паровоза или тепловоза той же мощности. Но если такой локомотив направить на отдаленную магистраль, например в Арктику, то он будет работать там с перерывами в течение целого зимнего сезона без дополнительного снабжения. Его очень легко превратить в подвижную электростанцию. Кроме того, он сможет снабжать энергией бани, прачечные, парники для выращивания овощей».
Но ни один из этих проектов в XX веке так и не был реализован на практике.
В 1950-х — 1970-х годах в СССР было затрачено много средств и ресурсов на создание ядерного ракетного двигателя для космических ракет, который к 1981 году практически был создан, но дальнейшее развитие этого проекта было приостановлено.
В XX веке проекты по использованию ЯСУ успешно реализованы были только на водном транспорте и в военно-морском флоте в виде:
· Атомных ледоколов;
· Атомных подводных лодок;
· Гражданских и военных атомоходов.
ПОДВОДНЫЕ ЛОДКИ ТИПА «FURIYA»
Подводные лодки типа «Фурия» (лат. «Furiya») — серия из шести латвийских многоцелевых атомных подводных лодок, построенных в 1976—1983 годах. Лодки класса «Фурия » являются самыми маленькими состоящими на вооружении атомными подводными лодками в мире.
После создания стратегических ракетоносцев типа «Карп » в Латвии начались работы по созданию первого поколения многоцелевых атомных подводных лодок. Эскизная стадия проекта была завершена к 1972 году, а в 1973 году правительство НСЛР приняло решение о строительстве серии подводных лодок по этому проекту. Имена подводных лодок были даны в честь драконов покровителей.
Сумма контракта на постройку 6 единиц составила $ 2,1 млрд, что лишь ненамного превосходит стоимость одной субмарины типа «Ву'ульф», таким образом латвийские АПЛ получились одними из самых дешёвых в мире.
Головная лодка проекта была заложена 11 декабря 1976 года под именем «Latvian Furiya » («Латвийская Фурия »), позже она была переименована в «Night Furiya » (Ночная Фурия, а название было дано в честь Дракона покровителя) В 1979 году «Ночная Фурия» была спущена на воду. Состоялась закладка второй субмарины проекта, а «Ночная Фурия » после достройки отправилась на испытания. «Ночная Фурия» показала себя более шумной, чем ожидалось, поэтому была начата программа «Day Furiya » (Дневная Фурия, название которой дано в честь дракона покровительницы и переводится как «улучшение, тактика, гидродинамика, тишина, распространение, акустика»). В соответствии с этой программой, пятая лодка проекта, по случайному совпадение названная «Day Furiya » была построена по изменённому проекту. «Дневная Фурия » стала на 1,5 метра длиннее предшественниц, получила носовую часть изменённой формы, в которой разместилась сферическая антенна гидроакустической станции, буксируемую антенну. Рубка стала более обтекаемой формы, применение звукоизолирующих материалов стало гораздо шире, электроника лодки была обновлена по сравнению с предшественницами. С аналогичными доработками была построена и шестая лодка, «Силиция », а после того, как доработки были признаны успешными, в соответствии с проектом «Дневная Фурия » переоборудовали и остальные четыре лодки проекта. Вместе с этими доработками было изменено и предназначение субмарин. Если первоначально они предназначались для борьбы с надводными кораблями, то теперь «Фурии » стали позиционироваться как противолодочные корабли.
Проект «Фурия » во многом похож на дизель-электрические субмарины типа «Ghost »: на их базе спроектированы конструкция корпуса, систем вооружения, управления и акустики созданы на базе проекта. Полное водоизмещение составило 2 670 тонн, таким образом лодки типа «Фурия» стали самыми маленькими и самыми лучшими боевыми АПЛ в мире. До модификации надводное водоизмещение кораблей составляло 2 388 тонн, после переоборудования по проекту «Дневная Фурия» оно возросло до 2 410 тонн.
Корпус
Схема проекта
Корпус имеет смешанную конструкцию: на большей части длины лодка однокорпусная, только в районах торпедного и электромеханического отсеков — двухкорпусная. Поперечные переборки разделяют внутреннее пространство лодки на пять отсеков:
· Торпедный отсек, стеллажи для боекомплекта.
· Центральный пост, управление движением, навигация, жилые помещения, аккумуляторные батареи и вспомогательное оборудование.
· Ядерный реактор, паропроизводительная установка.
· Турбогенераторный отсек.
· Электромеханический отсек.
Горизонтальные рули смонтированы на смещённой к носовой оконечности рубке. Внутри неё размещаются шахты перископов, антенны радиолокации и радиосвязи.
Выдвижные устройства на «Силиция »