Kitabı oku: «Изобретено в СССР», sayfa 5
Своды «Маяковской»
Генеральный план реконструкции Москвы, утверждённый в 1935 году, включал в том числе строительство станции метро под Триумфальной площадью. Проектное название её несколько раз менялось: сначала это была «Триумфальная площадь», затем «Площадь Маяковского», и, наконец, появилось знакомое всем нам название «Маяковская». С самого начала главный архитектор станции Самуил Кравец хотел сделать лёгкое, красивое пространство, подразумевавшее колонную структуру. При этом в соответствии с техническим проектом станция закладывалась на глубине более 30 метров, что делало её станцией глубокого заложения и требовало пилонной конструкции.
Проект Кравца был отклонён комиссией, а приняли в итоге проект другого архитектора – Алексея Душкина, который выдержал станцию в духе ар-деко, сохранив при этом требуемую лёгкость. Перед инженерами встала непростая задача: им впервые в истории предстояло спроектировать колонную станцию глубокого заложения.
Начальником конструкторского отдела Метропроекта на тот момент был Михаил Абрамович Рудник, а его заместителем по станциям глубокого заложения – Роберт Шейнфайн. Под началом Шейнфайна было три отдела; разработку необычной станции поручили отделу инженера Гринзайда. К слову, в группе Гринзайда по программе обмена опытом работали двое американских специалистов. Начальный проект станции делался без непосредственного контроля Душкина, и, когда тот увидел его на финальной стадии, был очень недоволен. Инженеры поставили между опорами среднего свода мощные стальные распорки, призванные увеличить площадь, – это сводило на нет лёгкость станции и выносило на всеобщее обозрение технические элементы (как принято в американском метро). Проблема усугублялась тем, что строительство уже шло полным ходом и половина распорок была установлена.
Альтернативную конструкцию предложила Антонина Пирожкова, инженер из группы Гринзайда. Её проект подразумевал равнопрочную конструкцию с внедрением железобетонных плит, берущих на себя нагрузку, лежавшую на распорках. Шейнфайн и Гринзайд резко воспротивились (а Пирожкова к тому же была «молодым специалистом»), но Душкину идея понравилась, к тому же она получила одобрение знаменитого мостостроителя профессора Николая Стрелецкого и начальника строительства Иллариона Гоциридзе. В итоге проект Пирожковой, не подписанный никем из инженерной группы, пошёл в работу, распорки выбили, и станция приняла современный облик.
Воздушная «Маяковская» была открыта 11 сентября 1938 года и стала выдающимся памятником московской архитектуры. Годом позже проект получил Гран-при на Всемирной выставке в Нью-Йорке. Гринзайд этого не увидел: в 1937 году его арестовали за шпионаж, поскольку он оказался единственным в конструкторском отделе человеком, знавшим английский язык (замечу, что впоследствии он был оправдан, вышел на свободу и работал над залами станции «Электрозаводская»). Антонина Пирожкова стала выдающимся инженером-конструктором, преподавала в МИИТе, написала учебник по строительству тоннелей. Репрессии коснулись и её: в 1939 году в Переделкино был арестован её муж, знаменитый писатель Исаак Бабель (о его расстреле в 1940-м она узнала только после смерти Сталина). Технологии, использованные при строительстве «Маяковской», впоследствии нашли применение в других колонных станциях глубокого заложения.
Горизонтальный лифт
Не менее интересный тип станций впервые появился в Ленинграде в 1961 году – знаменитый «горизонтальный лифт», или станция закрытого типа. Вопреки широко распространённому заблуждению, сегодня такие станции есть не только в Петербурге, но и в других метрополитенах: в Токио, Ченнаи, Куала-Лумпуре, Сеуле и т. д.
В принципе станция закрытого типа – это разновидность пилонной или колонно-стеновой (то есть колонной, в которой часть пролётов заменена стенами). Но в такой станции нет посадочных платформ как таковых – в боковых тоннелях расположены только пути для поездов. Центральная же платформа отделена от тоннелей дверьми, расположенными таким образом, что при остановке поезда двери вагонов с ними совпадают. Двери поезда и станции открываются одновременно, как в лифте, – отсюда и название «горизонтальный лифт».
Зачем нужны такие станции? Существует легенда о том, что в Ленинграде «горизонтальные лифты» строили в целях гидроизоляции станции в случае наводнения. Но это, конечно, неправда. На деле станция закрытого типа помогает решить другие задачи. Во-первых, она безопасна: у пассажиров вообще нет доступа к путям, они не могут угодить под поезд. Мусор и посторонние предметы на пути тоже не попадают. Во-вторых, изоляция центрального зала от тоннелей позволяет добиться лучшего микроклимата на станции и уменьшить фоновый шум от подъезжающих и уезжающих поездов, то есть пассажиры чувствуют себя комфортнее. Наконец, строительство и отделка таких станций делаются быстрее и обходятся дешевле, чем в случае с открытыми платформами (щит проходит такую станцию за один раз, к тому же не требуется отделка боковых тоннелей). Этот третий фактор в хрущёвское «экономное» время сыграл решающую роль.
Правда, у станций закрытого типа есть и минусы: в эксплуатации «горизонтальные лифты» дороже, в частности, автоматика открывания дверей требует дополнительного обслуживания. Кроме того, из-за таких станций приходится увеличивать интервалы между поездами, так как время стоянки возрастает (пока двери открываются, пока закрываются). Да и с безопасностью, как показала эксплуатация, есть проблемы: несмотря на датчики, блокирующие закрывание дверей и отправление поезда, если в проёме находится человек, случаи попадания пассажиров в щель между поездом и платформой происходят регулярно. Когда в станционных дверях зажимается багаж, это тоже довольно неприятно. Наконец, под станции закрытого типа пришлось разрабатывать специальный состав поездов: подогнать станцию под существующие типы вагонов не вышло.
Но в целом это было новое слово в инженерном деле, и впервые оно прозвучало в Ленинграде при строительстве станции метро «Парк Победы». Станцию проектировал лично главный архитектор «Ленметропроекта» Александр Андреев, инженерной стороной заведовал Георгий Скобенников. Обычно при проектировании новых станций объявлялся конкурс, но, поскольку здесь внедряли совершенно новую, необычную схему, работу сразу поручили Андрееву как наиболее опытному и высокопоставленному специалисту.
Интересно, но в первоначальном проекте двери были прозрачными. Их заменили на глухие практически сразу – через месяц эксплуатации станции. Не уверен, сохранились ли снимки с теми дверьми, в основном этот факт известен из воспоминаний очевидцев. Также на «Парке Победы» был другой пол – узорчатый, с зелёными треугольниками, но его варварски уничтожили при реконструкции 2010-х годов.
Из-за вышеописанных недостатков со временем от «горизонтальных лифтов» всё-таки отказались. Последней станцией такого типа в Ленинграде стала «Звёздная», открытая 25 декабря 1972 года. А платформенные двери сегодня широко используются на новых станциях – в основном в быстро растущих метрополитенах Азии. Современные датчики и системы защиты свели опасность к нулю, а стоимость эксплуатации с учётом усовершенствовавшейся за эти годы автоматики приблизилась к стоимости работы обычной станции.
Единым сводом
Я уже упоминал о существовании односводчатых станций мелкого заложения. Как и в случае с колонными станциями, односводчатую систему на станции глубокого заложения впервые применили в СССР.
Это решение было продиктовано, как и в случае с «горизонтальным лифтом», исключительно экономическими соображениями. Дело в том, что при проходе односводчатой станции щит не останавливается – он идёт по перегонному тоннелю, затем отклоняется вправо и проходит опорный тоннель станции, после чего возвращается и продолжает двигаться по перегонному тоннелю. Между двумя опорными тоннелями прокладывается полукруглая выработка по контуру свода (так называемая каллотная прорезь), затем арку свода обжимают в грунт и свод обделывают, чтобы он не обрушился, после чего уже вырабатывают грунт из основного объёма станции. По сути, это самый быстрый способ прохода станции глубокого заложения.
Однако у него есть два основных минуса. Первый заключается в том, что такую станцию можно построить только в сухих грунтах определённого типа – в Петербурге или Киеве такие грунты есть, а в Москве, например, почти нет, поэтому в Москве всего одна односводчатая станция глубокого заложения – «Тимирязевская». Второй минус состоит в том, что такая станция окупается только при непрерывном скоростном строительстве метро, когда щит проходит одну станцию за другой. Иначе говоря, подобные станции в идеале должны идти сцепками, иначе все преимущества сходят на нет.
Первые станции такого типа – «Политехническая» и «Площадь Мужества» – были открыты в Ленинграде в один день, 31 декабря 1975 года. Всего на постсоветском пространстве сегодня 21 односводчатая станция глубокого заложения: 14 в Санкт-Петербурге, одна в Москве, две в Екатеринбурге, четыре в Днепре. Несколько подобных станций есть и в других странах. Например, «Кобылисы» в Праге (открыта в 2004 году, глубина – 31,5 метра). Но в целом это относительно редкое явление, подавляющее большинство односводчатых станций заложены не очень глубоко.
Три новых, ранее никогда не встречавшихся в мировой строительной практике типа станций – это значительный вклад в историю мирового метрополитена и, в частности, в его инженерную составляющую. За почти 90 лет существования метро на постсоветском пространстве специалистами были получены сотни авторских свидетельств, внедрены самые разные технические решения, не использовавшиеся нигде прежде. Но всё в одну книгу не вместишь, а я пытаюсь охватить хотя бы глобальные прорывы. К тому же Метрострой и сейчас активно развивается, и наверняка это не последние достижения нашего метро.
Глава 6. Мирный атом
Впрочем, история началась несколько раньше, в 1930-е годы, причём не в СССР, а в США. В те годы ядерная физика только зарождалась и была, можно сказать, «модной». Практически все ведущие американские физики как минимум высказывались по различным связанным с этой темой вопросам, а то и вели серьёзные исследования и делали открытия. Наиболее заметной вехой стала работа Джеймса Чедвика, ученика Резерфорда. В 1932 году, исследуя процессы, происходящие при альфа-распаде плутония, Чедвик обнаружил новый вид проникающего излучения и доказал, что оно состоит из ранее неизвестных элементарных частиц – нейтронов. Это был прорыв, позволивший физикам начать эксперименты с нейтронами. С новым излучением работали Фредерик и Ирен Жолио-Кюри, Эрнест Резерфорд, а также Энрико Ферми.
Но в том же 1932 году произошло и ещё одно значимое событие: британские физики Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон проводили опыты по бомбардировке ядра лития-7 ускоренными протонами и получили необычную реакцию: ядро лития (элемента № 3 в Периодической системе) превратилось в две альфа-частицы (то есть в ядра гелия, элемента № 2), и при этом выделилось 17,2 МэВ энергии. Само по себе расщепление ядра под действием бомбардирующих частиц было известно раньше: Эрнест Резерфорд наблюдал его ещё в 1919 году. Но для опыта с литием впервые использовали ускоритель, и в итоге получились альфа-частицы (Резерфорд получал атомы водорода). По сути, это было начало нового направления в науке. Впоследствии Кокрофт и Уолтон бомбардировали другие ядра разогнанными протонами, альфа-частицами и дейтронами (ядрами дейтерия), получая всё новые реакции расщепления, а в 1951 году удостоились Нобелевской премии.
В течение последующих лет множество физиков экспериментировали с бомбардировкой ядер различных элементов субатомными частицами, в том числе недавно открытыми нейтронами. А в 1938 году группа учёных – Отто Ган, Фриц Штрассман и Лиза Мейтнер при участии племянника последней Отто Роберта Фриша – проводила эксперименты по бомбардировке нейтронами ядер урана. Предполагалось, что таким образом можно получить трансурановые элементы, то есть элементы с атомными номерами выше 92 (учёные думали, что уран просто поглотит новые нейтроны). Нептуний, элемент № 93, в итоге синтезировали в 1940 году именно таким методом, правда по более сложной технологии. Но до того об открытии 93-го элемента заявляли и Энрико Ферми (аусоний, 1934), и чех Одолен Коблич (богемий, 1934), и румын Хория Холубей (секваний, 1938). До 1944 года уран относился к VI группе и стоял в Периодической таблице под вольфрамом, а трансураны должны были, соответственно, занять места в следующих группах – под рением, осмием, иридием и платиной, то есть в столбцах Периодической таблицы Менделеева с седьмого по десятый. Однако после открытия и изучения химических свойств следующих за ними америция (№ 95) и кюрия (№ 96) стало понятно, что и известные в то время трансураны, и уран, и три элемента до него относятся к одному семейству, которое назвали актиноидами и выделили в отдельную строку таблицы.
Группа Отто Гана действительно получала в результате экспериментов новые вещества, но не элементы, а изотопы урана, в частности короткоживущий уран-239 (плюс один нейтрон к исходному изотопу). Чтобы не запутаться: природный уран примерно на 99,3 % состоит из изотопа уран-238; число обозначает атомный вес, который, в свою очередь, складывается из 92 протонов и 146 нейтронов. Например, уран-235, которого в природном уране всего 0,7 %, имеет на три нейтрона меньше.
Так вот, 17 декабря 1938 года Ган и Штрассман (Мейтнер, будучи еврейкой, в начале того года бежала в Нидерланды) в одном из опытов добились удивительного результата: ядра урана под воздействием бомбардировки нейтронами делились на ядра более лёгких элементов с выделением энергии. Так была открыта реакция вынужденного деления тяжёлых ядер с помощью нейтронов (протоны и альфа-частицы на уран такого воздействия не оказывали).
Реакция вынужденного деления направила ядерную физику по двум дорожкам. С одной стороны, чудовищная энергия, выделяющаяся при делении ядер урана, могла быть использована в мирных целях, а с другой – в целях разрушения. Я не стану подробно рассказывать историю ядерной бомбы – частично она будет затронута в разделе об оружии, к тому же про неё написано немало книг, а к советскому изобретательству она не имеет прямого отношения. Мирное же направление, то есть строительство ядерных источников энергии, нас очень даже интересует.
Предыстория реактора
В 1938 году в Нью-Йорк одновременно прибыли два крупнейших физика-эмигранта – итальянец Энрико Ферми и венгр Лео Силард. Силард уже высказывал мысль о возможности цепной ядерной реакции, а Ферми после открытия Гана и Штрассмана в январе 1939 года предположил, что при делении ядро урана может испускать быстрые нейтроны и если их число будет больше числа поглощённых, то такая реакция станет цепной – нарастающей.
Под руководством Ферми в том же январе 1939 года начались первые эксперименты с целью вызвать цепную ядерную реакцию. Лаборатория располагалась на седьмом этаже Пупин-холла, небоскрёба на Манхэттене, построенного в 1927 году специально для отдела физики Колумбийского университета. Эксперименты показали, что цепная реакция возможна, но для её проведения нужны совершенно новые условия. Помимо того, Ферми и Силард считали, что для создания в будущем ядерного оружия понадобится огромное количество делящихся материалов, которое невозможно получить одиночными реакциями бомбардировки. В природном уране, как было сказано выше, всего 0,7 % урана-235, и для его извлечения требуется сложный и дорогой процесс обогащения. А плутоний-239, который в природе вообще не встречается, можно получать с помощью очень интенсивной бомбардировки урана-238 нейтронами, причём только в ядерном реакторе. Так что осуществление цепной реакции в промышленных масштабах имело и «производственный» смысл.
Кстати, почему нужен именно уран-235, а не уран-238? Дело в том, что уран-235, как и другие нечётные изотопы урана (то есть имеющие нечётное количество нейтронов в ядре), хорошо делится при попадании в них нейтронов любых энергий1. Наиболее эффективно процесс деления идёт при использовании тепловых нейтронов – очень медленных, с крайне низкой, около 0,025 эВ, энергией. Поглотив тепловой нейтрон, ядро урана-235 разваливается на осколки и, в свою очередь, испускает несколько (в среднем около 2,4) нейтронов. Именно такой уран использовался в атомной бомбе «Малыш», сброшенной на Хиросиму. Для Нагасаки применялась другая, плутониевая бомба – всё сказанное выше справедливо и для нечётного изотопа плутония, плутония-239. А вот уран-238 – это «чётно-чётный» изотоп (с чётным количеством нейтронов и протонов в ядре), и он делится только быстрыми нейтронами с энергией выше 1 МэВ. Этот процесс по эффективности сильно уступает делению урана-235 под действием тепловых нейтронов, а более медленные нейтроны уран-238 просто поглощает, превращаясь после цепочки реакций в плутоний-239.
Тот факт, что для деления ядер урана-235 лучше всего использовать тепловые нейтроны, поскольку они легко захватываются ядром посредством сильного взаимодействия, Ферми обнаружил, ещё работая в Риме. Он создал концепцию замедлителя – специального вещества для снижения скорости быстрых нейтронов. Принцип его действия относительно прост: нейтроны теряют энергию за счёт многочисленных соударений с ядрами замедлителя и становятся из быстрых тепловыми.
Цепная реакция в представлении Ферми (крайне упрощённом) выглядела так: медленный (тепловой) нейтрон поглощается ядром урана, делит его с образованием нескольких быстрых нейтронов, они замедляются, поглощаются следующими ядрами и т. д. Соответственно, для мощной цепной реакции нужен был эффективный замедлитель, причём в большом количестве, удовлетворяющий множеству требований. Таким замедлителем стал сверхчистый графит.
Множество учёных – как американцев, так и эмигрантов из Европы – были задействованы в работе по созданию ядерного источника энергии. Так начинался знаменитый Манхэттенский проект, имевший целью создание ядерной бомбы. Во многих источниках написано, что «Чикагская поленница», Chicago Pile-1, первый в истории искусственный ядерный реактор, был непосредственной частью военного проекта, но на этот счёт есть разные мнения. Проанализировав ряд источников, я сделал вывод, что исследования, проведённые ядерщиками в ходе создания «Поленницы», легли в основу работ в Лос-Аламосе, но не являлись их официальным началом. Манхэттенский проект официально стартовал уже после запуска Chicago Pile-1.
Во всём этом была замешана и политика. На ядерную программу требовались огромные средства, а правительство не очень торопилось их выделять. В итоге Силард уговорил своего друга Альберта Эйнштейна, мирно жившего в Принстоне, подписать знаменитое письмо Рузвельту, в котором учёные высказывали опасения насчёт того, что немцы уже начали разрабатывать ядерное оружие, и настаивали на необходимости аналогичного проекта в США. Изначально предполагалось, что письмо доставит знаменитый пилот Чарльз Линдберг, вхожий к президенту, но в последний момент Силард услышал по радио выступление Линдберга в поддержку политики нацистской Германии (а тот вообще был солидарен с Гитлером по многим вопросам) и решил доверить письмо другому человеку. Так или иначе письмо добралось и действительно подтолкнуло Рузвельта к тому, чтобы начать финансирование американской ядерной программы. В рамках этой программы и был создан первый в истории ядерный реактор.
Чикагская поленница
Реактор для контролируемой цепной ядерной реакции разрабатывали в металлургической лаборатории Чикагского университета с февраля 1942 года. Замечу, что этой лаборатории ранее вообще не существовало – она была создана специально для проекта, и, хотя там проводились определённые работы по металлургии плутония, название «металлургическая» использовалось в основном из соображений секретности. Над реактором работали Ферми, Силард, Герберт Лоуренс Андерсон, Вальтер Цинн, Мартин Уайтекер и Джордж Вейл, а также несколько десятков чернорабочих.
Строительство реактора началось в сентябре 1942 года под трибунами университетского стадиона Стэгг Филд. Замедлителем служили 45 000 графитовых стержней квадратного сечения (10,8 на 10,8 на 42 сантиметра) суммарной массой 360 тонн. Стержни выпиливали на обычном деревообрабатывающем станке в соседнем помещении – рабочие после смены выглядели как шахтёры. В качестве топлива использовались 5,4 тонны природного металлического урана в слитках и 45 тонн прессованного оксида урана – это было обусловлено тем, что металлического урана попросту не хватало, он слишком дорого стоил. Никакой системы охлаждения или защиты от излучения реактор не предусматривал. Название «Чикагская поленница» он получил именно из-за графитовых «поленьев». Замечу, что это была не первая попытка построить реактор – Ферми с командой ещё в 1941 году изготовил аж две опытные «поленницы», но обе без какого-либо результата.
Реактор представлял собой большую конструкцию из послойно уложенных графитовых стержней. В них имелись полости, в которых поместили 19 000 брусков оксида урана. Также в конструкции были просверлены отверстия для регулирующих стержней, чтобы с их помощью управлять реакцией: стержни делались из дерева, и на них крепились кадмиевые пластины. Кадмий – отличный поглотитель нейтронов, и стержни, опускаясь на глубину определённого слоя, поглощали часть нейтронов, тормозили реакцию и не позволяли ей переходить в цепную.
2 декабря 1942 года в 9 часов 54 минуты Вальтер Цинн извлёк аварийный защитный стержень, и реакция пошла. Постепенно извлекались всё новые стержни, и к 15:25 состояние реактора подошло к критическому – цепная реакция началась. Реактор проработал всего 4,5 минуты, с очень низким коэффициентом воспроизводства нейтронов – всего 1,0006, то есть на каждый медленный нейтрон, попавший в ядро урана, приходилось 1,0006 выбитых быстрых нейтронов, но начало было положено. Человек впервые в истории осуществил управляемую цепную ядерную реакцию.
Впоследствии CP-1 запускался ещё несколько раз, а в феврале 1943 года его разобрали. Его название дало начало целой серии опытных реакторов, последний из которых, CP-5, был построен в Аргоннской национальной лаборатории в 1954 году и функционировал до 1979-го.
Наверное, вы спросите: а где же советские учёные? Когда уже начнётся наша история? Я вам отвечу: прямо сейчас она и начнётся.
