Выбор типа реактора определяется накопленным опытом в реакторостроении, наличием необходимого оборудования и запасами сырья. В СССР строились преимущественно графито-водные и водо-водяные реакторы, в США – водо-водяные, в Великобритании – графито-газовые.
Атомные электростанции, в зависимости от системы теплопередачи, могут иметь одно-, двух– и трехконтурные схемы. Если теплоноситель – жидкий металл, то он в особом теплообменнике отдает тепло другому теплоносителю – газу или воде, использующимся в турбинах в виде пара или горячих газов. Такая схема с промежуточным теплообменником называется двухконтурной. Ее применение позволяет ограничиться установкой биологической защиты лишь для реактора и теплообменника и исключает ее необходимость для всего теплосилового оборудования.
Для регулирования работы реактора применяются кадмиевые стержни или стержни из бора и гафния, изменяющие величину потока нейтронов.
Биологическая защита реактора представляет собой слой вещества, отражающего нейтроны, и защитные слои веществ (бетона, свинца, воды, серпентинового песка). Оборудование реакторного контура устанавливается в герметичных боксах. Места возможной утечки контролируются специальными системами. При авариях в системе охлаждения реактора предусматривается быстрое глушение ядерной реакции.
В 1960-е годы в мире стремительно строились мощные АЭС, каждая из которых состояла из нескольких блоков. Кроме выработки электроэнергии на некоторых АЭС устанавливались устройства для опреснения морской воды.
Темпы строительства атомных электростанций резко упали после аварии в 1986 г. на Чернобыльской АЭС. При разгерметизации реактора в окружающую среду было выброшено огромное количество радиоактивных веществ.
Это вызвало дискуссии о целесообразности применения ядерной энергии, влиянии атомной энергетики на окружающую среду. Возникли проблемы с переработкой и захоронением радиоактивных отходов. Некоторые страны отказались от строительства новых АЭС и стали консервировать действующие. Но растущее потребление электроэнергии и назревающий кризис добычи энергоносителей заставляют ученых и инженеров проводить дальнейшие исследования в области атомной энергетики. Наиболее актуальным направлением является осуществление управляемой термоядерной реакции.
Бетон
Бетон представляет собой смесь вяжущего вещества, наполнителя и воды. После высыхания образуется прочная монолитная масса. Используя специальную форму, опалубку, этой массе можно придать различную форму.
Само слово "бетон" родилось во Франции в XVIII веке. Римляне материал, подобный бетону, называли по-разному. Так, литую кладку с каменным заполнителем они именовали греческим словом "эмплектон" (emplekton). Встречается также слово "рудус" (rudus). Однако чаще всего при обозначении таких понятий, как раствор, используемый при возведении стен, сводов, фундаментов и тому подобных конструкций, в римском лексиконе употреблялось словосочетание "опус цементум" (opus caementitium), которым и стали называть римский бетон.
Самое раннее применение бетона, обнаруженное археологами, можно отнести к 5600 г. до н. э. Найден на берегу Дуная в поселке Лапински Вир (Югославия). В одной из хижин поселения каменного века был обнаружен бетонный пол толщиной 25 см. Бетон был изготовлен из гравия и извести.
Древнейшими вяжущими веществами, используемыми человеком, были глина и жирная земля, которые после смешивания с водой и высыхания приобретали некоторую прочность. По мере развития и усложнения строительства возрастали требования, предъявляемые к таким веществам. В Египте, Индии и Китае еще в третьем тысячелетии до н. э. начали изготавливать искусственные вяжущие вещества, такие, как гипс, позднее – известь, которые получали посредством умеренной термической обработки исходного сырья.
Наиболее раннее применение бетона в Египте, обнаруженное в гробнице Тебесе (Теве), датируется 1950 г. до н. э. Бетон использовался при строительстве галерей египетского лабиринта и монолитного свода пирамиды Нима тоже задолго до нашей эры.
Многие алхимики считали, что "философский" камень был известен еще в Древнем Египте, там его получали, дробя определенные камни. Французский химик Д. Давидович дробил в порошок известняк, гранит, базальт, смешивал порошок с нильским илом, водой, в качестве связующего вещества использовал сок чеснока. Полученную смесь он отливал в форму и получал искусственный камень, который трудно отличить от природного. Давидович предположил, что и блоки египетских пирамид были сделаны из такого бетона.
В Древнем Риме бетон изготавливали, используя гашеную известь, к которой добавляли вулканическую пыль – пуццолану или кирпичную пыль. Эту смесь тщательно уплотняли. Повышению долговечности бетона способствовали и географические условия Италии с ее теплым и влажным климатом, в то время как в других странах с более суровым климатом постройки из такого же бетона сохранялись плохо. Даже сегодня не потеряли своей значимости конструктивные особенности римских бетонных дорог, полов, сводов и куполов. Не умея бороться с растягивающими и изгибными напряжениями бетонных конструкций, римляне заставили их работать на сжатие. Сочетание этих нововведений и явилось, видимо, основной причиной долговечности римского бетона.
Появление современного бетона связано с появлением цемента. Этот материал был изобретен в 1824 г. английским каменщиком Джозефом Аспдином. Он предложил способ обжига смеси гашеной извести с глиной, в результате чего получалось порошкообразное вещество, которое при смешении с водой затвердевало на воздухе в камнеподобную массу. Аспдин назвал цемент портландским из-за внешнего сходства с серым камнем, добываемым около г. Портланда в Англии.
Цемент в большинстве случаев применяется не в чистом виде, а в смеси с заполнителем – песком и каменным щебнем, – образуя бетон. В конце XIX в. бетон стал одним из основных строительных материалов. Необходимость строительства крупных сооружений не только на поверхности земли, но и под водою, сделала бетон, особенно в сочетании с железной арматурой (железобетон), незаменимым материалом. Он использовался для строительства мостовых быков, фундаментов зданий, массивных свай, молов, плотин, тоннелей и т. д.
Тогда же появляется и совершенно новый строительный материал – железобетон, представляющий собой комплексное соединение, состоящее из бетонной массы и распределенного внутри нее металлического скелета, или арматуры. Идея сочетания камня и металла возникла еще в начале XIX в., но широкое применение железобетона началось лишь после создания цемента.
Первые попытки соединить металлическую арматуру с бетоном относятся к середине XIX в. На Всемирной Парижской выставке 1855 г. французский инженер Ламбо представил лодку, корпус которой состоял из железного каркаса, залитого цементным раствором. В 1861 г. вышла книга французского ученого Коанье, где описано уже несколько конструкций из бетона с металлической сеткой. Тем не менее, изобретателем железобетона считается французский садовник Монье, применивший в 1867 г. железобетон для изготовления цветочных кадок. Стенки кадок Монье изготовлялись из цементного раствора с каркасом из металлической сетки. За первым изобретением последовали другие. В 1868 г. он получил патент на изготовление труб и резервуаров из железобетона, в 1869 г. – патент на изготовление из железобетона плоских плит, в 1877 г. – железнодорожных шпал. В 1885 г. Mонье продал право на эксплуатацию своих изобретений. С этого времени началось широкое применение железобетона в строительстве.
Железобетон – основной строительный материал современности. К его основным достоинствам относятся прочность, жесткость, возможность получать сложные формообразования, высокие гигиенические качества (отсутствие грибка, гнили, насекомых), огнестойкость, долговечность (прочность бетона с течением времени лишь возрастает). Кроме того, бетон сопротивляется сжатию, а сталь – растяжению, бетон защищает металл от коррозии.
Современный мир трудно представить без бетона. Дома и мосты, плотины и тоннели – далеко не полный список того, что делается из бетона. Поэтому бетон заслуживает звания настоящего философского камня.
Бумага
С появлением письменности возникла потребность в материалах для письма. Первоначально для этого использовался камень. Но, несмотря на распространенность, постепенно пришлось отказаться от него ввиду сложности обработки и невозможности быстрой записи.
Позже с этой целью стали использовать глину. Мягкая и податливая во влажном состоянии, она хорошо запечатлевала знаки, наносимые твердой заостренной палочкой, а после высушивания или обжига надежно их сохраняла. Наибольшее распространение в этом качестве глина получила в Передней Азии и Междуречье, где были найдены целые библиотеки из глиняных табличек.
В различных районах Земли для сохранения информации использовались различные материалы: кора дерева, листья, кожа, кости, металл. На Руси долгое время наиболее распространенным носителем информации была береста – слои березовой коры.
В древнем Египте примерно в IV в. до н. э. начали применять папирус. Его изготовляли из стеблей нильской лилии. Стебли разрезали на узкие полоски, затем складывали рядами в два слоя крест-накрест на плоской каменной плите, покрывали куском ткани и отбивали плоским камнем. Полученную пленку сушили, разглаживали и лощили. Полосы папируса имели ширину 30–40 см и длину, иногда достигавшую 40 м. На папирусе писали тушью с помощью заостренной палочки или кисти из тростника.
Позже стали использовать письмо по воску, который заливался в деревянные таблетты. Для письма брали специальный металлический инструмент – стилус. Когда запись была не нужна, ее стирали обратным плоским концом стилуса.
Письмо по воску существовало до появления пергамента – специально обработанной кожи животных. Он изготавливался по довольно сложной технологии, но зато был долговечен и позволял делать записи высокого качества.
Считается, что бумага была впервые изготовлена примерно в 105 г. н. э. китайцем Цай Лунем из особого сорта крапивы. Отделенные от склеивающего вещества волокна мелко перетирались и путем многократного встряхивания в специальной форме переплетались. Готовый лист выкладывался на гладкий стол, накрывался каменной плитой и высушивался. Китайская бумага была легкой и мягкой, для производства не требовалось больших усилий и дорогого сырья.
В 751 г. производство бумаги из тряпья началось в Самарканде, в 794 г. – в Багдаде. В X в. бумагу стали делать в Египте и Северной Африке. Там наряду с плотной писчей и оберточной бумагой делали тончайшие листы для голубиной почты.
Примерно в 1150 г. бумага попала в Испанию. Здесь заработали первые в Европе бумажные мельницы. Высокого качества бумагу производили в Валенсии и Толедо. Сначала бумагу делали из хлопка, позже – из очесов, ветхого белья, старых канатов и парусов.
Основными операциями в бумажном производстве были очистка и промывка тряпья, толчение его пестами в деревянных корытах, разрыхление полученной массы в чанах с водой и ее разливка на тонкие проволочные сетки. В целом технология насчитывала около 30 операций.
В Италии бумага появилась в 1154 году. Там центром ее производства стал город Фабриано. Итальянские мастера значительно облегчили способы изготовления бумаги, применив для превращения волокнистого сырья в кашицеобразную массу так называемые толчеи. Они представляли собой толстое бревно с выдолбленными в нем углублениями или каменное корыто. Их заполняли измельченным тряпьем, добавляли воду и толкли деревянными пестами, окованными железом. Песты приводились в движение деревянным валом с кулачками, соединенным с колесом водяной мельницы. Итальянцы ввели в практику проклейку бумаги животным клеем. Это повысило ее прочность и снизило капиллярность.
Первая бумага была рыхлой, непрочной, сероватого или желтоватого цвета. Со временем ее качество росло, с конца XIII в. на бумаге европейского производства появились водяные знаки.
С появлением книгопечатания к бумаге стали предъявлять новые требования. Она должна была стать более гладкой, ровной, прочной, упругой, эластичной, хорошо впитывать краску.
На рубеже XVII–XVIII веков в Голландии появился новый размалывающий аппарат – ролл. Он представлял собой ванну объемом от 3 до 18 м, разделенную на две части (канала). В одном из каналов установлен ножевой размалывающий барабан, под которым закреплялись ножи, собранные в планки. При прохождении водного раствора, содержащего волокнистый материал, между ножами планки и вращающегося барабана материал размалывался и ножами барабана перебрасывался через перегородку в другой, оборотный канал, по которому вновь попадал в барабан. Ролл применяли в производстве тонких сортов бумаги.
В конце XVIII в. появилась цилиндрическая машина для бесконечной бумаги, т. е. машина, в которой рабочим органом является цилиндр (барабан), обтянутый металлической тканью. Ее изобретателем был Лейстеншнейдер из французского города Понсэ.
В 1799 г. француз Л. Робер создал "самочерпалку" – машину с механизированным отливом бумаги на бесконечной сетке с ручным приводом, расположенную над черпальным чаном. Позже к этому оборудованию были добавлены непрерывные секции прессования, сушки, каландрирования (пропускания между валами для придания гладкости), намотки бумаги в рулоны.
Появление полиграфических машин увеличило потребность в бумаге. В связи с этим, наряду с производством бумаги из тряпья, появилась бумага из целлюлозы. Ее производство впервые наладил в Германии в 1844 г. Ф. Келлер.
Во II половине XIX в. бумагоделательная машина была значительно усовершенствована: увеличилась ширина бумажного полотна, достигающая на современных машинах 9 м, возросла скорость выработки. Появились новые виды бумажной продукции, например многослойный картон, фильтрующая бумага для очистки моторных масел и топлива, конденсаторная бумага, прокладочный картон для автомобилей.
Современная бумага значительно отличается от первых ее видов качеством и спектром применения. Она делится на классы, среди которых: бумага для печати, письма, чертежно-рисовальная бумага, электроизоляционная, впитывающая, светочувствительная, переводная, оберточная, промышленно-техническая.
Велосипед
Велосипед "изобретали" несколько раз в разное время и в разных странах. Еще в 1680 году в Нюрнберге Стефан Фарфлер сконструировал трехколесную самодвижущуюся машину с ручным приводом. С 1690 года во Франции была построена подобная машина под названием "селерифер". Само слово "велосипед" пришло к нам из Франции в конце XVIII века. В переводе оно означает "быстрые ноги". В России считают, что еще в 1801 г. крепостной крестьянин Ефим Артамонов проехал от Урала до Санкт-Петербурга на двухколесной тележке собственного изобретения. Изобретатель приводил свое детище в движение, отталкиваясь ногами от земли. За это изобретение Артамонов получил вольную. Многие исследователи отрицают существование велосипеда Артамонова.
Еще одним претендентом на авторство велосипеда является немецкий лесничий Карл фон Дрез, живший в начале XIX в. в г. Карлсруэ. Он был талантливым изобретателем, создавшим, в частности, прообраз пишущей машинки, мясорубку. Его любимым творением стала "беговая машина", построенная им в 1817 г. Ее конструкция очень проста: два высоких колеса – одно за другим, между ними узенькое сиденье. Седок отталкивался от земли ногами и мог передвигаться со скоростью 20 км/ч. Над Дрезом, ехавшим по улице на велосипеде, все смеялись. Но его машина, названная по фамилии изобретателя дрезиной, имела успех, правда, недолгий, в Лондоне и Париже. То, как выглядел велосипед Дреза, известно по карикатурам в юмористических журналах. Насмешки стали причиной забвения дрезины. Сам Дрез умер в нищете, его велосипед продали за 5 марок. А название "дрезина" закрепилось за другим изобретением Дреза – тележкой, передвигающейся по железнодорожным рельсам.
Увлечение самокатом пережила Англия в 20-х годах XIX в. Там он сделался фирменным средством передвижения лондонских денди. Их самокаты изготавливались в виде потешных лошадок и назывались "денди-кони". Именно в Англии в 1818 г. был выдан первый патент на велосипед. Запатентованное устройство описывалось как "машина, служащая для уменьшения трудов и усталости от хождения, позволяющая в то же время использовать большую скорость и обгонять пешеходов".
Следующий этап в истории велосипеда связан с изобретением в 1836 г. шотландцем Гевином Дальзелем педалей, избавивших ездока от необходимости отталкиваться ногами. Размеры переднего колеса начали неудержимо расти, пока не превысили человеческий рост. Такая конструкция была весьма неустойчива, особенно из-за отсутствия тормозов. Последние были придуманы в середине XIX в. одновременно в Германии и Франции. Филипп Фишер, слесарь из немецкого городка Оберндорф, до старости ездил на велосипеде собственного изготовления – с тормозами. В 1884 г. его сын Фридрих открыл фабрику по производству велосипедов. В отличие от Фишера француз Пьер Мишо, сконструировавший велосипед с тормозами в 1855 г., сам поставил на конвейер производство своих "мишолинов" и, продавая их по 500 франков за штуку, первым разбогател на этом изобретении. В 1858 г. англичанин Джон Шергольд придумал велосипедную цепь, а седло переместил к середине рамы.
Во второй половине XIX столетия велосипед постоянно усовершенствовался. В 1867 г. появились спицы, в 1868-м – резиновый обод, в 1869-м – ведущее заднее колесо. Велосипеды постепенно перестали восприниматься как экзотика: в Париже в 1869 г. их насчитывается уже 1300 штук, а через тридцать лет – в пятьсот раз больше. Но основным недостатком велосипеда оставалась тряска при передвижении. В 1885 г. шотландский врач Данлоп, купивший своему сыну новый "бициклет", задумался над тем, как избавиться от непрерывной тряски. Он взял садовый шланг и обернул в него колеса. Сначала шланг наполнялся водой, но эта конструкция оказалась слишком тяжелой. Данлоп стал надувать отрезок шланга воздухом, ему же принадлежит идея ниппеля. Количество изобретений и усовершенствований, связанных с велосипедом, не иссякало: в 1892 г. во Франции было выдано 1000 патентов, в Англии – 2400, в США – 4000. В 1893 г. оба колеса стали одинакового диаметра, а в 1898 г. была придумана "трещотка", то есть свободный ход. Вот так постепенно велосипед получил привычный для нас вид.
В начале XX в. велосипед был невероятно популярен: проводились бесконечные соревнования "циклистов", выпускалась специальная обувь и "велодоги" – револьверы для защиты от собак. Велосипедами снабжали почтальонов и курьеров. В Германии, а затем и в других странах начали создаваться велосипедные подразделения (в России они назывались "самокатными"). Разрабатывались велосипеды спортивные, охотничьи, складные, детские, дамские и т. д.
В XX в. велосипед стал излюбленным средством передвижения во многих странах Европы и в Китае. В странах Азии на смену традиционным рикшам пришли велорикши. Развитие велоспорта привело к разделению спортивных велосипедов на шоссейные и трековые. Кроме того, долгое время в программе Олимпийских игр были трековые гонки на тандемах – велосипедах с двумя спортсменами.