Большая энциклопедия техники - Коллектив авторов

Графитогазовый реактор

Графитогазовый реактор – разновидность ядерного реактора, в котором в качестве замедлителя нейтронов выступает графит, а теплоносителем является газ (чаще всего гелий или углекислый газ).

К основным преимуществам газа как теплоносителя можно отнести возможность нагрева до высоких и сверхвысоких температур, что позволяет повысить КПД атомной электростанции (АЭС) с графитогазовым реактором до 40% и выше; хорошие ядерно-физические свойства. Сравнительно малая энергонапряженность (количество тепла, снимаемое с единицы объема активной зоны), что объясняется в основном худшими, чем, например, у воды, замедляющими свойствами графита, является характерной особенностью графитогазовых реакторов. Этот факт и объясняет значительные размеры графитогазовых реакторов. К примеру, активная зона реактора английской АЭС «Данджнесс Б» электрической мощностью 660 МВт имеет диаметр 9,4 м и высоту 8,2 м.

Такие высокие размеры активной зоны и наличие избыточного давления газов – 4,5 Мн/м2 (45 кгс/см2) – предъявляют свои особые требования к конструкции реакторов данного типа. В цилиндрических каналах графитовой кладки расположены тепловыделяющие элементы. В прочный корпус (стальной или из предварительно напряженного железобетона), несущий давление теплоносителя, заключена активная зона реактора. Изредка основные конструктивные элементы (активная зона, парогенератор и газодувки) заключаются в единый корпус, выполненный из железобетона. Для защиты от нейтронного излучения, которой окружена активная зона, предохраняет парогенераторы и газодувки от активации, поэтому они доступны для ремонта, но только при остановленном реакторе. Для защиты от перегрева внутренняя поверхность бетонного корпуса покрывается теплоизоляцией, а также применяют специальные системы охлаждения. Графитогазовые реакторы являются основным типом реакторов в ядерной энергетике Великобритании и Франции. АЭС с такими реакторами построены также в Италии, Японии. Несомненно, изобретение Ферми, работы Курчатова и других ученых, занимавшихся проблемой ядерных реакторов, имели огромное значение для развития научной и технической отраслей, но не стоит забывать, что эти работы послужили базой для создания оружия массового поражения.

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания – тепловой двигатель, в котором при сгорании топлива происходит превращение определенной части химической энергии в механическую.

Бурное развитие науки и техники в XVIII—XIX вв. диктовало необходимость создания нового источника преобразования энергии, который нашел бы применение в промышленных масштабах. Попытки создания подобного устройства были предприняты многими учеными и конструкторами. Но право первенства принадлежит Э. Ленуару, который в 1860 г. сконструировал аппарат, получивший название «двигатель внутреннего сгорания». Но этому открытию предшествуют многочисленные труды многих исследователей, каждый из которых внес свой вклад в общее дело.

В конце XVIII в. Филипп Лебон открыл светильный газ, вскоре им был получен патент на получение и применение этого газа. Это изобретение открыло новое направление в развитии осветительной техники. Лампы на основе светильного газа сразу же создали конкуренцию парафиновым свечам, которые в то время использовались в целях освещения. Интересным является тот факт, что Филипп Лебон с детства страдал фобией: он панически не переносил темноту, поэтому открытие им светильного газа можно считать подарком судьбы для самого ученого. В 1801 г. Лебоном был получен патент на моделирование и конструкцию газового двигателя. Принцип работы этого двигателя основывался на способности смеси из светильного газа и воздуха взрываться при воспламенении с выделением большого количества тепловой энергии. По замыслам Лебона, полезная работа могла осуществляться не только за счет тепловой энергии, но и благодаря энергии расширяющихся газов в процессе их горения. По своей сути двигатель Лебона являлся прототипом двигателя внутреннего сгорания, но преждевременная кончина испытателя не позволила ему довести свои замыслы до конца. После смерти Лебона на протяжении нескольких десятилетий многие естествоиспытатели предпринимали попытки создания двигателя внутреннего сгорания на основе светильного газа. Но их разработки не могли составить достойной конкуренции паровой машине. Лишь в 1860 г. Жан Этьен Ленуар, инженер из Бельгии, сконструировал аппарат, основанный на принципе воспламенения топливной смеси при помощи электрической искры. Усовершенствование данной конструкции путем включения в ее состав системы охлаждения и смазочной системы сделало двигатель внутреннего сгорания Ленуара конкурентоспособным. Вскоре после этого Ленуар прекратил работу в направлении дальнейшего совершенствования своего изобретения, одновременно с этим патент на производство и дальнейшие модификации двигателя внутреннего сгорания был получен немецким изобретателем Августом Отто. Именно Отто принадлежит идея четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, которым пользуются и по сей день. Но мир капитализма жесток, и спустя некоторое время состоялось судебное слушание, на котором ряд французских естествоиспытателей представили доказательства, свидетельствующие о том, что за несколько лет до изобретения Отто подобный принцип функционирования двигателя внутреннего сгорания был описан Бо де Рошем. Существует несколько точек зрения на данное историческое событие. С одной стороны, имеется мнение, что судья, от чьего решения зависел исход данной тяжбы, был заинтересованным лицом.

Согласно другому мнению, все изложенные факты были подлинными, и решение судьи было вполне справедливым.

Но, так или иначе, представители Франции выиграли эту судебную тяжбу, и Отто пришлось отказаться от монопольного права выпуска четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Это событие имело огромное значение для дальнейшего развития научно-технического прогресса, так как теперь право производить и продавать новый вид двигателей принадлежало не одной стране, а следовательно, исключалось монопольное господство той или иной державы на мировом рынке.

Классификация двигателей внутреннего сгорания основывается на нескольких принципах.

  1. По виду используемого топлива существуют:

  1) газовые;

  2) жидкостные двигатели внутреннего сгорания.

  2. По характеру рабочего цикла имеют место:

  1) двухтактные двигатели, т. е. рабочий цикл совершается за два хода поршня, или один оборот коленчатого вала;

  2) четырехтактные двигатели, т. е. рабочий цикл совершается за четыре хода поршня, или два оборота коленчатого вала;

  3) двигатели внутреннего сгорания непрерывного действия.

  3. В зависимости от способа преобразования энергии существуют:

  1) реактивные;

  2) турбинные;

  3) поршневые;

  4) комбинированные двигатели внутреннего сгорания.

  4. По типу смесеобразования различают двигатели внутреннего сгорания с:

  1) внутренним;

  2) внешним смесеобразованием. Принцип действия двигателей внутреннего сгорания удобнее всего рассмотреть на примере поршневого двигателя. Основными действующими элементами данного устройства являются кривошипно-шатунный механизм, механизм газораспределения, охладительная, смазочная системы, система зажигания и система питания. Кривошипно-шатунный механизм представлен коленчатым валом, поршнем, шатуном и цилиндром. При перемещении поршня из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее положение происходит расширение нагревающихся газов, что влечет за собой увеличение их давления на поршень. Возвратно-поступательное движение поршня приводит коленчатый вал во вращательное движение. Благодаря функционированию механизма газораспределения происходит поступление в цилиндр горючей смеси и удаление из цилиндра продуктов, образующихся при сгорании данной смеси. Охладительная система необходима для поддержания оптимальной температуры, при которой происходит работа двигателя внутреннего сгорания. Смазочная система способствует уменьшению трения между соприкасающимися элементами двигателя внутреннего сгорания. Система зажигания осуществляет воспламенение горючей смеси. Система питания производит приготовление и направление горючей смеси в цилиндр. Итак, создание двигателя внутреннего сгорания стало важным событием в развитии технического прогресса.

Дизель

Дизель – поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором воспламенение топлива происходит в результате процесса сжатия.

В рабочем цикле четырехтактного дизеля различают:

  1) процесс впуска, во время которого при открытом впускном клапане происходит перемещение поршня из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее положение, а затем обратно в крайнее верхнее положение, далее происходит закрытие впускного клапана, при этом горючая смесь поступает в цилиндр, где она смешивается с газами, оставшимися от предыдущего цикла;