Металлы в атомной энергетике

Уран и железо... Что общего между ними? Оказывается на Земле известны месторождения, где они "живут" вместе.

Дело в том, что в них урановые минералы вкраплены в железную руду. А многие минералы урана и притом именно те, которые имеют промышленное значение, чрезвычайно невзрачны и трудно отличимы от всюду встречающихся окислов железа и марганца. Железную руду с высоким содержанием урана проплавляют в доменной печи. Железо восстанавливается и переходит в чугун, а уран остается в шлаке. Этот урановый шлак перерабатывается на химических заводах, где из него получают сначала окись урана, а потом и чистый металл. Из чугуна выплавляют урановую быстрорежущую сталь.

Имеются и другие связи между металлургией и атомной энергетикой, многие успехи которой обязаны достижениям в области металлургии.

Ледокол "Ленин" - первое в мире гражданское судно с ядерным двигателем. Он начал плавание в Северном Ледовитом океане в 1959 г. Атомоход, способный передвигаться непрерывным ходом через лед толщиной в полтора человеческих роста со скоростью почти в 4 км/ч, не мог быть построен без использования самых новых и удивительно прочных сталей.

Обычные морские опасности ледоколу не страшны. Его прочный корпус сделан из стали специальных марок. К тому же корабль опоясан мощным стальным "ледовым поясом". На Балтийском заводе делали для него гребные валы. Обрабатывать деталь в 46 т и длиной 18 м было крайне сложно.

Американский атомоход "Саванна" вошел в строй и начал свою коммерческую службу в 1962 г., сначала в грузо-пассажирском варианте, а затем полностью перешел на грузовые линии. Для коммерческого судоходства корабль оказался непригодным и совершал рейсы только в рекламных целях, убытки покрывались правительственной дотацией. В 1972 г. судно было поставлено на прикол. Паропроводящая часть и реакторы судна устарели технически и морально.

Построенный в ФРГ рудовоз "Отто Ган" в 1970 г. обслуживал маршрутную грузовую линию между Западной Германией и Марокко.

Четвертым гражданским атомоходом был японский транспортный корабль "Муцу". Построенный в 1972 г., он вышел в первый испытательный рейс в августе 1974 г. Однако испытание атомного реактора на "Муцу" вскоре было прекращено из-за недопустимо высокого уровня радиации за пределами защитных устройств. По мнению ученых, находившихся на корабле, утечка радиоактивных веществ связана с образованием трещины в защитном кожухе реактора.

Прошедшие навигации атомохода "Ленин" показали практическую безопасность атомного судна в отношении радиационного излучения. В 1971 г. на ледоколе вместо трех реакторов поставили два, более простой системы и соответствующей современному уровню техники.

Успешная многолетняя эксплуатация ледокола доказала несомненное преимущество кораблей с ядерным реактором.

Атомная паропроизводительная установка ледокола

С Балтийского завода в Ленинграде в декабре 1974 г. вышел на ходовые испытания атомный ледокол "Арктика". Его длина достигает 140 м, а ширина 30 м. Ледокол оснащен мощнейшей в мире энергетической установкой, которая позволяет успешно преодолевать тяжелые льды в высоких широтах.

Корпус "Арктики" изготовлен из высокопрочных марок стали. Проектировщики предложили сделать корпус различным по толщине обшивки. Этим достигли значительной экономии легированных сталей и ликвидировали вероятность появления на корпусе так называемой "гребенки" - вмятин от ударов раздавленных и подмятых льдин. Особое внимание конструкторы и судостроители уделили форштевню атомохода. Это как бы стальное лезвие гигантского колуна массой в несколько десятков тонн. К нему предъявляется немало различных требований по износо-устойчивости, вязкости и прочности при низких температурах.

В навигацию 1975 г. новый флагман отечественного ледокольного флота вышел в Арктику и начал свою работу по проводке судов к высокоширотным станциям и портам, расположенным на побережье Ледовитого океана.

Сталь широко применяют для защитных сооружений в атомных реакторах. Шли долгие споры между сторонниками использования циркония и нержавеющей стали в атомных установках. Дело в том, что хотя цирконий и его сплавы были надежнее, но они еще пока очень дороги, а сталь намного дешевле. Позже американские атомники убедились, что можно доверять и нержавеющей стали и начали ее широко использовать в различных конструкциях атомных сооружений.

В машинном зале. Атомная электростанция. Сталь широко используется для защитных сооружений в атомных реакторах

На всех атомных электростанциях США устройства и механизмы, связанные с отбором тепла, заключены в стальные полые шары. Таким образом, все, что связано с радиоактивностью, изолировано от внешней среды. Эти предосторожности вызваны неуверенностью в конструкции и опасением возможного взрыва.

Здание атомной электростанции "Энрика Ферми" окружено стальным цилиндрическим корпусом с внутренним диаметром в 22 м. Высота этого "стального стакана" над землей 36,6 м, и еще на 15,6 м он уходит в землю.

Внутри этой стальной скорлупы остальные части реактора и механизмов также закрыты защитными устройствами из бетона, углеродистой и нержавеющей стали, графита.

Сталь пригодна для защиты от радиоактивного излучения потому, что она хорошо поглощает нейтроны. Но вот это же ее качество - большое поглощение нейтронов - мешает использовать сталь в конструкциях ядерных реакторов. Из-за этого к.п.д. атомных электростанций пока значительно ниже к.п.д. обычных станций. Почему?

Применение стали в конструкциях обычных электростанций позволяет получать пар с очень высокой температурой. В ядерных реакторах в подобных конструкциях применяют магний и цирконий - это не позволяет в достаточной степени повысить температуру пара. Поэтому металлурги ведут настойчивые поиски новых материалов и сплавов для ядерной энергетики. При этом важно исследовать влияние облучения на упрочнение и разупрочнение разных марок стали и сплавов. Что могут дать металловедам подобные испытания?

Как известно, наиболее сильное и глубокое изменение свойств металлов вызывает облучение нейтронами, протонами, дейтронами и альфа-частицами. Например, образцы железа и никеля, подвергнутые отжигу в вакууме при различных температурах, облучались в специальных камерах, после чего их испытывали на растяжение и исследовали под микроскопом. Выяснилось, что допустимая нагрузка на растяжение образцов железа повышалась на 60-70%, у никеля на 30-35%. Упрочнение металла при облучении ядерными частицами предположительно объясняют закреплением кристаллических дефектов. При комнатных температурах облучение обычно повышает твердость и прочностные свойства металлов, но уменьшает пластичность.

Исследования и поиски продолжаются. Успехи в создании новых сплавов помогут дальнейшему развитию атомной энергетики.