Текст книги "Открытия и изобретения ХХ века. Энциклопедия"

Глава 42

Атомный реактор

Первый ядерный реактор был построен в 1942 году в США в рамках «Манхэттенского проекта». Он использовался исключительно в исследовательских целях для изучения физики ядерной реакции. А после первого испытания первой атомной бомбы советского производства 29 августа 1949 года, установивший ядерный паритет между двумя крупнейшими державами планеты США и СССР, в Советскому Союзе начались работы по применению атомной энергии в мирных целях. Но… восстановим хронологию. Первый советский опытный реактор Ф-1 был построен и запущен ещё в декабре 1946 года. Его также использовали только в исследовательских целях.

Почему инициаторами разработки и строительства первой атомной электростанции стали именно советские учёные. Дело в том, что основные усилия американцев и учёных, сотрудничающих с ними, были направлены на создание ядерного оружия. Мирные применения атомной энергии всерьёз не принимались. Проекты атомных электростанций западным политикам казались «забавой учёных», не имеющей никакой экономической перспективы. Действительно, строительство АЭС стоит не просто дорого, а очень дорого. А окупить затраты можно только за десятилетия непрерывной эксплуатации АЭС.

Тем не менее, в 1848 году предложение академика Игоря Васильевича Курчатова (годы жизни 1902—1960) начать работы по мирному применению атомной энергии было поддержано советским правительством. 22 июня 1948 года первый промышленный плутониевый ядерный реактор мощностью в 100 мегаватт был запущен и выведен на проектную мощность. Затем последовал длительный период экспериментов и расчётов. В феврале 1950 года группа учёных под руководством Курчатова разработала проект первой экспериментальной атомной электростанции с уран-графитовым реактором, с водой в качестве теплоносителя, выдающим тепловую мощность в 30 тысяч киловатт и мощность на валу турбины, вырабатывающей электрический ток, в 5 тысяч киловатт (или 5 мегаватт – это и есть проектная мощность электростанции). Давление пара должно было достигать 12 атмосфер.

Местом для строительства первой в мире АЭС был избран посёлок Обнинское в Калужской области. Само строительство началось в 1951 году и закончилось успешным пуском Обнинской АЭС 27 июня 1954 года. 25 октября того же года АЭС вышла на проектную мощность – 5 мегаватт. Эта электростанция проработала до наших дней. Она была остановлена в 11 часов 31 минуту 29 апреля 2002 года по экономическим соображениям. По современным меркам мощность первой в мире АЭС явно недостаточна, чтобы окупить затраты на её содержание. На месте первой АЭС планируется создать музей атомной энергетики…

За рубежом первыми атомными электростанциями стали английская АЭС в Колдер-Холле мощностью в 46 мегаватт, запущенная в 1956 году. И 60-мегаваттная американская АЭС в Шиллингпорте, построенная в 1957 году.

Поговорим об устройстве АЭС и о значении атомной энергетики в нашей жизни. Основой АЭС является атомный реактор, в котором идёт непрерывная ядерная реакция с выделением большого количества тепловой энергии. Регулировка ядерной реакции производится посредством графитовых стержней управления, вдвигаемых или выдвигаемых из реактора. Тепло, выделяемое реактором, нагревает теплоноситель закрытого первого контура. Теплоносителем может быть вода, расплавленный натрий или газ. Давление в первом контуре может достигать 160 атмосфер. В этом же контуре нагретый до парообразного состояния теплоноситель поступает на лопатки турбины, приводя во вращение соединённый с турбиной электрогенератор, который и вырабатывает электрический ток. Второй контур АЭС открытый – это вода, которая забирается из открытого водохранилища для охлаждения теплоносителя, циркулирующего в первом контуре. В результате охлаждения теплоноситель первого контура конденсируется, снова переводится в жидкое состояние И поступает в теплообменник реактора, где снова нагревается и переводится в пар. Цикл повторяется.

Так работает водо-водяной энергетический реактор ВВЭР, но существуют и другие типы, например, реактор большой мощности канального типа РБМК, в котором только один водяной конур, или реактор на быстрых нейронах БН, в котором два натриевых и один водяной контуры. Очень часто, особенно в городских АЭС, вода внешнего контура забирается не из водохранилища, а охлаждается в градирнях – теплообменниках башенного типа, внешне напоминающих огромные конические трубы (вода в этих башнях стекает вниз и охлаждается воздухом).

На АЭС применяются реакторы различных типов. К ним относятся реакторы на тепловых нейтронах, использующие специальные замедлители для увеличения вероятности поглощения нейтрона ядрами атомов топлива, реакторы на лёгкой воде, графитовые реакторы, реакторы на тяжёлой воде, реакторы на быстрых нейтронах, субкритические реакторы, использующие внешние источники нейтронов и термоядерные реакторы.

Ядерная энергия используется не только для выработки электроэнергии, но и для отопления жилищ. Правда, это относится только к России (в других странах централизованной системы отопления домов не существует) и только к одной уникальной АЭС очень небольшой мощности – к Билибинской, которая построена в заполярном городе Билибино на Чукотке, насчитывающем всего чуть более 13 тысяч жителей…

Атомная энергетика – единственный реальный способ обеспечить наши потребности в электроэнергии, которые со временем только возрастают. Ни гидроэлектростанции, ни ветряные, ни приливные – ни один из этих источников электроэнергии не может сравниться по эффективности с атомной электростанцией. Более того, у АЭС есть множество достоинств, которые позволяют говорить об атомных электростанциях, как о будущем человечества.

В числе достоинств полное отсутствие вредных выбросов – в отличие от тепловых электростанций, работающих на мазуте, газе или угле. Высокая экономичность – для работы АЭС нужно совсем немного ядерного топлива, которое после переработки можно использовать многократно. Очень высокая мощность по сравнению с электростанциями других типов. И, наконец, крайне низкая стоимость вырабатываемой энергии.

Но и недостатков у АЭС тоже хватает (если бы их не было, мы бы сейчас пользовались только электроэнергией, вырабатываемой атомными станциями, а у других типов электростанций не было бы ни одного шанса на выживание). Во-первых, строительство АЭС очень дорогое «удовольствие», которое могут себе позволить далеко не все страны мира. Во-вторых, топливо АЭС крайне опасно для человека и окружающей среды из-за радиоактивного излучения. АЭС распространённых типов плохо работают в режимах переменной мощности (то есть со снижением вырабатываемой энергии). А самое страшное, что при авария на АЭС может обернуться катастрофой. Все мы помним катастрофу на Чернобыльской АЭС. Её можно было предотвратить – атомные электростанции считается вполне безопасными в эксплуатации. Но если этого не удалось и происходит выброс радиоактивных веществ в атмосферу, устранить последствия разрушения АЭС очень и очень трудно…

На первом этапе освоения атомной энергетики было такой время, когда мировое сообщество охватила настоящая эйфория. Ближайшее будущее представлялось «атомным раем». Большие и маленькие АЭС, электромобили, использующие копеечную электроэнергию, машины с маленькими реакторами под капотом и даже атомные батарейки, которые можно считать «вечными» (настолько велик их ресурс). Но… этого не случилось. Наоборот, после Чернобыля АЭС приобрели плохую репутацию и, в основном, незаслуженно. Атомный реактор на сегодня лучший источник энергии. Надо лишь сделать его абсолютно безопасным. Это и есть одна из главных задач современной науки.

Глава 43

Атомные суда

1 ноября 1939 года на стол президента США Рузвельта лёг доклад учёного-физика научно-исследовательской лаборатории Военно-морских сил США Р. Ганна. В нём говорилось: «При расщеплении атомов урана выделяется огромное количество тепла. Если управлять цепной реакцией таким образом, что она будет развиваться постепенно, ее, можно использовать, как постоянный источник энергии для подводных лодок, что позволит обходиться без больших аккумуляторных батарей». Рузвельт обратился за консультацией к учёным военных ведомств Америки, но получил ответ – бесперспективно. Первоочередной задачей Рузвельт считал создание атомной бомбы. И доктор Ганн, просивший выделить средства на разработку атомного реактора, который бы годился в качестве силовой установки подводной лодки, получил отказ.

Но в ноябре 1944 года, опираясь на успехи учёных, работавших над «Манхэттенским проектом» и, в частности, построенный 2 декабря 1942 года Энрико Ферми (годы жизни 1901—1954) первый в мире реактор, в котором шла управляемая ядерная реакция, представители военного флота США убедили членов комитета по разработке рекомендаций по послевоенному развитию атомной энергетики в необходимости строительства атомных подводных лодок. В декабре 1945 года была составлена программа по строительству атомного подводного флота США. В 1948 году был разработан проект перовой атомной силовой установки для подводной лодки, а в июне 1952 года на верфи в Гротоне (США) была заложена первая вы мире атомная подводная лодка, на строительство которой было затрачено почти два года. 21 января 1954 года атомоход был спущен на воду, а 18 января, после целого года доделок, корабль вышел в первый испытательный поход. В эфире прозвучала радиограмма, переданная капитаном лодки открытым текстом – «идём под атомным двигателем». Корабль получил название «Наутилус» – как первая подводная лодка конструкции Фултона (построенная в 1800 году), и фантастический подводный корабль капитана Немо, описанный Жюлем Верном…

Идея использовать атомный реактор в качестве источника энергии для двигателей кораблей оказалась чрезвычайно удачной именно для подводного флота. Силовая установка корабля устроена примерно так же, как и атомный реактор электростанции – по двухконтурной схеме. При этом вырабатываемая генератором энергия используется для привода ходовых электродвигателей, заряда резервного аккумулятора и обеспечения регенерационной воздушной установки, удаляющей из воздуха углекислый газ. Более того, этой энергии хватает для электролитического разложения воды и извлечения из неё кислорода. Обычно этот процесс очень энергоёмок и потому невыгоден. Но при расходовании одного килограмма ядерного топлива выделяется столько же энергии, сколько при сжигании… двух миллионов килограммов солярки! При таком запасе энергии подводная лодка имеет, практически, неисчерпаемый запас жизнеобеспечения экипажа и подводного хода. Ядерному топливу не нужен окислитель – кислород воздуха. А небольшого запаса топлива хватает очень надолго. К примеру, «Наутилус» на 450 граммах урана в месяц мог пройти в подводном положении 25 тысячи миль (более 46 тысяч километров) со скоростью в 20 узлов (37 километров в час) в подводном и 23 узла (42,5 километра в час) в надводном положении. И время плавания атомной подводной лодки зависело только от запаса продовольствия, исправности регенерационной установки и от физических возможностей команды «Наутилуса».

Однако, заметим, что первая лодка год стояла у причала, пока её доделывали. Какие возникли проблемы? Атомная силовая установка оказалась слишком тяжёлой. Чтобы обеспечить защиту экипажа от радиоактивного излучения, пришлось применять сложную многослойную оболочку из свинца и стали. В результате с лодки пришлось снять значительную часть вооружения. Удельная масса силовой установки получилась очень большой – 80 кг на один киловатт мощности, а вес атомной силовой установки составил 85 процентов веса самой лодки.

В 1957 году в США была построена вторая атомная подводная лодка «Сивулф». В паросиловой установке в качестве теплоносителя был применён жидкий натрий, что позволило сделать её компактной и мощной. Но вскоре оказалось, что жидкий металл очень агрессивен и разъедает оболочку первого контура. Появились опасные утечки радиоактивного натрия. И в 1959 году «Сивулф» поставили на прикол, чтобы заменить силовую установку на ту, что применялась и на «Наутилусе». А от жидкого натрия решено было отказаться вовсе. Отныне в первом контуре атомного реактора применялась всё та же вода.

После успехов американского атомного подводного флота наша страна оказалась в положении догоняющей державы. Но в начале 50-х годов советскими учёными был разработан атомный реактор, пригодный для установки на подводной лодке. А к концу десятилетия появилась и первая советская атомная подводная лодка – «Ленинский комсомол». В июне 1962 года эта лодка пересекла в подводном положении Северный Ледовитый океан и всплыла на Сварном полюсе планеты. А в феврале-марте 1966 года «Ленинский комсомол» вместе с группой советских атомных подводных лодок совершила подводное кругосветное плавание без всплытия на поверхность, преодолев около 23 тысяч миль…

Следом за атомными подводными лодками появились и атомные надводные суда. Первым был ледокол «Ленин», построенный в СССР в 1959 году.

Следует заметить, что ледоколы суда специализированные. Они предназначены для прокладки водного пути в покрытом льдом море. Ледокол обычно ведёт за собой целый караван обычных грузовых судов. Отличие ледокола – в особо прочном корпусе, снабжённым специальным утолщением в носу, выдерживающим удары об лёд, и большой массе, которой корабль и раскалывает льдины. Атомный реактор позволяет оснастить ледоколы очень мощными силовыми установками, превращая специализированное судно в настоящий морской «вездеход». Появившиеся в более поздние годы ХХ века ледокольные атомоходы «Арктика» (построен в 1975 году), «Сибирь» (1977 год) и «Россия» (год постройки 1986) являются крупнейшими в мире надводными кораблями с атомными реакторами.

Почему атомные реакторы не применяются в военном надводном флоте и на гражданском флоте общего назначения (на торговых или рыболовецких судах)? С военными кораблями всё ясно. При разрушении атомного реактора в ходе боевого столкновения последствия могут быть столь ужасными, что не потребуется и атомной бомбы. Сам военный корабль превращается в подобие «грязной» бомбы с радиоактивной начинкой и будет представлять угрозу своим же кораблям. Кроме того, избыточной энергетической оснащённости, как подводной лодке, надводному кораблю не требуется.

Ну а с гражданским флотом ситуация и схожая, и в чём-то отличная. Рыболовецкому, грузовому или торговому судну (не говоря уже о пассажирском лайнере) атомный реактор совершенно ни к чему. Но если бы он был, то зону плавания пришлось бы ограничить Северным полушарием планеты. Дело в том, что Южное полушарие по международным соглашениям для захода атомоходов закрыто. Даже когда возникают опасные ситуации у берегов Антарктиды, туда для освобождения застрявших во льдах судов и эвакуации полярников направляются не атомоходы, а обычные ледоколы с дизельными силовыми установками.

Глава 44

Первые компьютеры

История компьютера начинается гораздо раньше, чем мы можем предположить. Первая механическая вычислительная машина была спроектирована английским математиком Чарльзом Беббиджем (годы жизни 1791—1871) в 1836—1848 годах. В этой «аналитической машине», так называл её Беббидж, были заложены пять основных устройств, применяемых и в современных компьютерах – арифметическое, памяти, управления, ввода и вывода. Использовалась десятичная система счислений. В арифметическом блоке изобретатель планировал использовать 1000 50-разрядных регистров, то есть по 50 зубчатых колёс (они использовались в механических вычислителях и до Беббиджа) в каждом регистре. Программа ведения вычислений хранилась на перфокарте – бумажной ленте с пробитыми в ней отверстиями. При помощи такой же перфокарты в машину вводились исходные данные и сохранялись результаты вычислений. Время сложения двух 50-разрядных десятичных чисел по задумке Беббиджа должно было составлять 1 секунду, умножения – 1 минуту.

Учёному помогала его дочь английского поэта Байрона Ада Августа Лавлейс (годы жизни 1815—1852), она составляла для аналитической машины Беббиджа программы, которые, как выяснилось через сто лет, были очень похожи на программы первых электронно-вычислительных машин. Поэтому Аду Лавлейс называют первым в мире программистом.

И всё же аналитической машине Беббиджа не суждено было воплотиться в металле. Она так и осталась в виде расчётов и уменьшенных моделей. Из-за большой разрядности вычислений и применения десятичной системы счисления машина получалась очень громоздкой, а для её привода нужен был локомотивный паровой двигатель. Изобретатель опередил время на добрую сотню лет…

Следующей вехой в становлении компьютерной техники (а имён на самом деле очень много – мы выбираем лишь наиболее примечательные) стали работы гениального английского математика Алана Матисона Тьюринга (годы жизни 1912—1954). В 1936 году Тьюринг опубликовал работу «О вычислимых числах», в которой доказывал невозможность существования универсального метода для определения вычислимости, и, следовательно, в математике всегда будут задачи, не имеющие решения. Для иллюстрации своей теории он предложил гипотетическую «машину Тьюринга» в виде бесконечной ленты с записанной на ней символами и со считывающей головкой. Машина Тьюринга обладала основными свойствами современного компьютера – пошаговым выполнением математических операций, запрограммированных во внутренней памяти – и стала основой теоретического обоснования работы цифровых компьютеров…

В 1934 году немецкий студент Конрад Цузе (годы жизни 1910—1985) начал работу по созданию механического компьютера. Не подозревая об изобретении Беббиджа он принялся строит… аналитическую машину Беббиджа! И в 1937 году машина Z-1 (то есть «Цузе 1») была готова и при этом замечательно работала. В отличие от машины Беббиджа компьютер Цузе был совсем небольшим – он занимал всего два квадратным метра и умещался на рабочем столе в квартире изобретателя. Главным новшеством была двоичная система счисления. То есть все числа записывались в виде цифрового года при помощи логических нулей и единиц. При этом длина слова составляла 22 двоичных разряда. Память на механических элементах составляла 64 слова (а вовсе не 1000, как в машине Беббиджа). Операции производились с применением плавающей запятой, для мантиссы и её знака отводилось 15 разрядов, а для порядка числа – 7 разрядов. В 1938 году в машине Цузе появилось устройство ввода информации (данных и программ) в виде киноплёнки в которой пробивались отверстия, а арифметическое устройство на зубчатых колёсах было заменено вычислителем на электромеханических реле. На этом этапе к Цузе присоединился австрийский инженер Гельмут Шрайер, который принял активное участие в совершенствовании машины. Новый вариант получил название Z-2. А в 1941 году Цузе и Шрайер построили следующую вычислительную машину Z-3, в которой использовалось 2000 реле памяти и 600 реле счётного устройства.

Кстати, Гельмуту Шрайеру принадлежит идея использования в качестве переключателей (триггеров) не электромеханические реле, а электронные лампы. Шрайер предложил использовать лампы уже на Z-2, но Цузе не согласился – лампы были слишком дороги. Во время войны Цузе и сам пришёл к выводу, что у электронных ламп альтернативы нет. Но в военное время раздобыть столько дорогостоящих вакуумных электронных триггеров не представлялось возможным. Идея построить первый в мире электронный компьютер была похоронена.

Но у машин Цузе была счастлива судьба. В годы войны изобретатель открыл в Берлине небольшую фирму, на которой выпустил две специализированные механические вычислительные машины – S1 для расчёта крыльев «летающих торпед», которыми обстреливался Лондон, и S2 – для управления этими самолётами-снарядами. В конце войны Цузе создал последнюю релейную машину Z-4, которая оказалась единственной уцелевшей после бомбёжки берлинского завода.

В 1980 году правительство Германии выделило 800 тысяч марок на воссоздание механической машины Z-1. За эту работу взялся сам Цузе вместе со своими студентами. А полностью восстановленный Z-1, точная и при этом безупречно работающая копия первого механического компьютера была передана Конрадом Цузе на вечное хранение в музей вычислительной техники в Падеборне…

Работы Цузе, который так и не финансировались в достаточной степени, но были тем не менее засекречены. В Америке же из сооружения первого компьютера секрета не делали. В 1944 году профессор Гарвардского университета Говард Айкен (годы жизни 1900—1973) построил первый американский механический компьютер МАРК-1. Поскольку о Цузе никто не знал, МАРК-1 был назван «первой в мире релейно-цифровой вычислительной машиной». Она обладала примерно такой же вычислительной мощностью, что и Z-3, но по сравнению с ней выглядела просто монстром. Длина 17 метров, высота 2,5 метра, вес 5 тонн, а количество механических деталей равнялось полумиллиону!

Причина таких грандиозных габаритов была в выбранной системе счисления – десятичной. В счетчиках и регистрах памяти использовались всё те же зубчатые колеса. Управление и связь между ними осуществлялась с помощью 3000 реле. Говард Айкен не скрывал, что пытался воссоздать машину Беббиджа. Учёный говорил, что «если бы был жив Беббидж, мне нечего было бы делать». Но машина, несмотря на грандиозные размеры и небольшие вычислительные способности оказалась очень надёжной. В стенах Гарвардского университета она проработала ни много ни мало 16 лет. Впоследствии Айкен построил другие механические вычислительные машины – МАРК-2, МАРК3 и МАРК-4. При этом от применения электронных ламп он отказывался, считая их ненадёжными.

Первым электронным компьютером (или одним из первых) стала машина Джона Винсента Атанасова (годы жизни 1903—1995), американского учёного болгарского происхождения, профессора физики из Айовы. В январе 1941 года в американской печати появилась небольшая заметка о том, что доктор Атанасов «строит ЭВМ, которая по принципу своей работы ближе человеческому мозгу, чем любая другая машина». Эту машину предполагалось использовать в сельском хозяйстве – проект финансировался сельскохозяйственной станцией колледжа Айовы, где преподавал Атанасов.

Этим сообщением заинтересовался сотрудник технической школы при Пенсильванском университете Джон Мочли (годы жизни 1907—1986). Мочли посетил лабораторию Атанасова и даже провёл там шесть дней, вникая в детали устройства будущей машины… Дело в том, что Мочли давно увлекался вычислительной техникой и метеорологией. Для облегчения метеонаблюдений он построил несколько цифровых электронных устройств, очень простых, но тем не менее вполне работоспособных. А когда сотрудники лаборатории баллистических исследований Абердинского артиллерийского полигона обратились в ту самую Пенсильванскую техническую школу за помощью в составлении таблиц стрельбы для артиллерийских орудий на механическом вычислителе, то Мочли предложил им построить мощный компьютер на электронных лампах. Свои расчеты он изложил на бумаге и в августе 1942 года отправил в военное ведомство США. Ничего бы ни получилось, проект не вызвал большого интереса, но благодаря настойчивости артиллеристов и в апреле 1943 года был заключён контракт на строительство первой в мире ЭВМ. Правительством США было выделено 400 тысяч долларов, а к работам привлечены две сотни математиков и инженеров. Возглавили строительство Джон Мочли и инженер-электронщик Преспер Эккерт (годы жизни 1919—1995).

В конце 1945 года компьютер был готов, а с начале 1946 года машина начала считать реальные задачи. По размерам она была ещё более грандиозной, чем МАРК-1 – 26 метров в длину, 6 метров в высоту при весе в 35 тонн. Однако, благодаря применению электронных ламп, машина производила вычисления в 1000 раз быстрей, чем её механическая предшественница. В электронной машине работали 17468 ламп, 7200 кремниевых диодов, 1500 реле, 70 000 резисторов и 10000 конденсаторов. Но в ней использовалась всё та же десятичная система счисления (чем и объясняются её размеры).

Первый в мире электронный компьютер назвали ЭНИАК – ENIAC, сокращение от Electronic Numerical Integrator And Computer или «Электронный числовой интегратор и компьютер». С ЭНИАК и началась компьютерная эпоха…

Нам остаётся добавить, что в 1973 году федеральный суд США постановил, что создателем первого проекта электронного компьютера был всё-таки Джон Атанасов. Его машина в декабре 1941 года была уже готова, но находилась в разобранном состоянии. По каким-то причинам работы по компьютеру Атанасова были свёрнуты. И создателем первой работающей ЭВМ стали Мочли и Эккерт.