ВНИЗ ПО ЛЕСТНИЦЕ
Открыв явление радиоактивности, Анри Беккерель столкнулся с первым и самым простым путем превращения элементов и освобождения ядерной энергии.
Что происходит при радиоактивном распаде?
Ядро перестраивается и «скатывается» с менее устойчивого положения в более устойчивое. При этом неизбежно выделяется ядерная энергия — в форме движения частиц и электромагнитного гамма-излучения.
Например, уран при радиоактивном распаде переходит в радий, радий — в радон и так далее, вплоть до устойчивого и нерадиоактивного свинца.
Стремясь к устойчивости, радиоактивные элементы будто спускаются по лестнице, ступеньки которой имеют разную длину и высоту. На длинной ступеньке ядро «живет» дольше. Чем выше ступенька, тем больше «спрыгнувшее» ядро освобождает потенциальной энергии, тем ближе оно подходит к полной устойчивости.
Вот на верхней ступеньке — горсть ядер урана. Они словно катаются взад и вперед, причем то одно, то другое достигает края ступеньки и падает вниз. При этом испускается альфа-частица. Первая ступенька длинная, поэтому ядра обитают на ней очень долго. Половина первоначального количества «скатывается» за 4,5 миллиарда лет.
Следующая ступенька — коротенькая. От попавших на нее перестроившихся ядер уже через 24 дня остается только половина. «Падая вниз», они испускают электроны, и неощутимо крошечные нейтральные частички, под названием нейтрино, снова перестраиваются и на следующей, еще более короткой ступеньке живут всего 1,2 минуты.
Дальше следует более десятка коротких и длинных, высоких и низких ступенек. На некоторых из них ядра пребывают многие тысячи лет. Правда, на других они издерживаются на какие-нибудь десятитысячные доли секунды. В конце концов они достигают самой нижней ступеньки, с которой уже упасть некуда. Так радиоактивные элементы превращаются в устойчивые, нерадиоактивные.
Подобных лестниц в мире атомов несколько. Они объединяют в «семьи» много естественно радиоактивных веществ.
Существуют в микромире и радиоактивные лестницы, сделанные человеком. Первыми научились их строить видный французский физик Фредерик Жолио-Кюри и его жена Ирэн Кюри.
Естественная и искусственная радиоактивность в наши дни верно служит технике, биологии, медицине. Из-
лучение радия, кобальта-60 применяется для лечения опухолей. Атомы, меченные радиоактивностью, помогают решать сложные задачи науки и практики. Но такие вещества пока еще не являются источниками полезной работы. Правда, в последние годы на их основе научились устраивать светящиеся указатели, даже нечто похожее на миниатюрные лампочки. Сообщалось, например, о «лампочке» величиной с кнопку и мощностью в 20 миллионных долей ватта, которая светит непрерывно в течение пяти лет. Сделана эта световая батарейка из смеси измельченного фосфора с окисью искусственно радиоактивного элемента прометия-147, излучающего электроны. Существуют и электрические батарейки на искусственно радиоактивных материалах в сочетании с полупроводниками. Однако подобные примеры — исключение. Для нужд большой энергетики радиоактивные вещества неприменимы: слишком медленно, слишком малыми дозами они отдают свою энергию. И причина здесь та, что по радиоактивной лестнице путь ядер к устойчивости невообразимо долог.
ЧЕРЕЗ СТУПЕНЬКИ
Когда наш юный читатель, сделав уроки, бежит играть в футбол, он скачет по лестнице сразу через две— три ступеньки. Иные ловкачи ухитряются перемахивать и через пять — шесть ступенек! Разумеется, нижней лестничной площадки они достигают куда раньше, чем степенные старушки, которые не спеша ступают на каждую ступеньку,
А почему бы ядрам тоже не попробовать «скакать через много ступенек» лестницы радиоактивности?
Нечто подобное иногда случается.
Может ли ядро урана «перескочить» через промежуточные состояния на пути к устойчивости? Да, но тогда, вместо того чтобы отдавать свое вещество и энергию «через час по чайной ложке», оно должно сразу отколоть от себя порядочный кусок. Тогда и энергии сразу выделится много.
В 1939—1940 годах советские ученые Г. Н. Флеров и К. А. Петржак доказали, что такое самопроизвольное раскалывание урановых ядер бывает. Оно ведет гораздо «ниже», чем лестница радиоактивности, и превращает урановое ядро в два ядра, каждое из которых гораздо легче ядра свинца. Но происходит это явление чрезвычайно редко. Чтобы в куске урана половина всех его атомных ядер сами собой раскололись, надо ждать сотни миллиардов лет! Урановое ядро — не особенный любитель «скакать через ступеньки», лишь в редчайших случаях борьба его внутренних сил приводит к столь резкой перестройке, как расщепление.
Тогда, может быть, есть способ как-нибудь заставить урановое ядро делиться? Что, если стрельнуть в него быстрым электроном? Он не пробьет брони электронной оболочки, а если и пробьет, то дойдет до ядра слишком слабеньким. Ударить в ядро протоном или другой тяжелой электрически заряженной частицей? Не выйдет. 92 протона уранового ядра совместными усилиями без труда оттолкнут пришельца прочь.
А если запустить в ядро нейтроном? Вот это другое дело! Электрическое поле нейтрону не преграда. Попав в ядро, он может легко проникнуть внутрь. И в некоторых случаях нейтрон, очутившийся в ядре, способен расщепить его, рассечь на два более легких ядра.
Убедившись в этом, физики распахнули двери в новую эру истории человечества — эру атомной энергии.
СЕКРЕТ УРАНА
На музейной витрине под стеклом — невзрачные, ничем не примечательные с виду камни. Они похожи на булыжники, которыми мостят мостовые. Но поднесите к ним счетчик радиометра — и вы услышите в наушниках пулеметную дробь щелчков. Перед нами радиоактивное сырье. Уран...
Что это за металл, в чем секрет его столь громкой в паши дни славы?
Многим читателям ответы на такие вопросы известны, но мы все же вкратце напомним физическую сущность процессов в урановых ядрах, бомбардируемых нейтронами.
В природе существуют три разновидности урана—три изотопа: уран-234, уран-235 и уран-238. Протонов в атомном ядре каждого из них одинаковое число — 92.
Различаются же ядра разных изотопов количеством нейтронов.
Легче всего делится нейтронами уран-235. Однако в природе его очень мало — всего 7 граммов на килограмм естественного урана. И выделить уран-235 чрезвычайно трудно. На специальных заводах газообразные соединения урана многократно пропускаются через тонкие пористые перегородки. В конце концов, благодаря еле уловимому различию в весе атомов соединения неодинаковых изотопов металла оказываются в разных местах установки. Это очень дорогой и трудоемкий процесс, но техникой он вполне освоен.
Итак, в нашем распоряжении кусочек урана-235. Вот пришедший откуда-то нейтрон попал в одно из его бесчисленных атомных ядер и застрял там. На этот раз ядро удобно представить себе в виде круглой капли «ядерной жидкости». Очутившись в ней, нейтрон тотчас «потерял в весе», а освободившейся энергией привел каплю-ядро в возбужденное состояние. В капле нарушилось равновесие, начались быстрые нарастающие колебания. Они «раскачали» ядро, которое из-за этого потеряло сферическую форму, удлинилось. А тогда электрическое отталкивание протонов (оно, как мы помним, действует и на далеких расстояниях) начало одерживать верх над ядерным притяжением нуклонов. Капля вытянулась, пала похожа на разделяющуюся амебу, которую вы видели в учебнике естествознания. И вот уже исчезла ниточка, связывавшая обе части. Большая капля превратилась в две маленькие. Урановое ядро разделилось на осколки, на ядра других, более легких и устойчивых элементов.
Гонимые электростатическим отталкиванием протоков, ядра-осколки стремительно разлетелись в разные стороны и растолкали окружающие атомы.
Маленькая, на первый взгляд, подробность: при делении освободилось несколько нейтронов. В образовании ядер-осколков они оказались попросту лишними, как бы строительным отходом. Но это — факт огромной важности. Именно благодаря освобождению «лишних» нейтронов делается возможной так называемая цепная реакция деления урановых ядер и выделение громадных количеств атомной энергии. Ведь выпущенные на волю «лишние» нейтроны способны расколоть другие урановые ядра, те при последующих делениях, в свою очередь, рождают новые свободные нейтроны и т. д.
Правда, в небольшом куске урана цепочка последовательных делений ядер быстро оборвется. Многие из нейтронов, получивших свободу, уйдут за пределы маленького куска, не успев ничего сделать.
Что ж, попробуем соединить два малых куска урана-235 в один достаточно большой. Тогда от первого самопроизвольно разделившегося ядра начнется нарастающая лавина расщеплений. Энергии выделится уже настолько много, что она разрушит, раскрошит металл. Произойдет небольшой взрыв, «хлопок», который разорвет большой кусок урана на маленькие. Однако в маленьких крошках металла цепная реакция тотчас оборвется: охватить все вещество она не сможет.
А если не дать урану сразу развеяться? Если соединить его малые и потому безобидные куски внутри какой-то очень прочной оболочки? Тогда лавина ядерных делений не оборвется, едва начавшись. За миллионную долю секунды она охватит весь объем урана, вызовет колоссальное число делений и мгновенно освободит энергию в десятки и сотни миллионов киловатт-часов. Произойдет ядерный взрыв.
Именно так и устроена атомная бомба.
Каждый, кто впервые знакомится с принципом действия атомной бомбы, невольно поражается его крайней простоте. В прочной оболочке быстро соединяются два или несколько кусков тяжелого, специально приготовленного металла—только и всего, если не считать второстепенных дополнений. Но это несложное решение никогда не могло бы оказаться плодом случайного изобретения: ему предшествовал титанический многолетний труд. И, несмотря на то что завершающие открытия были совершены отдельными физиками (среди них Хан, Штрассман, Лиза Мейтнер, работавшие в Германии, итальянец Ферми, советские ученые Зельдович, Харитон, Флеров, Петржак и другие), можно считать, что атомная бомба — итог пытливой мысли многих исследователей разных стран.
И какой страшный итог!
ГИБЕЛЬ ГОРОДОВ
Ядерный взрыв... Это вспышка света ярче Солнца, вспышка, которую и на далеком расстоянии ощущают даже слепые, это всесокрушающая ударная волна, это жар в десятки миллионов градусов, молниеносно вызывающий огромные пожары, это поток радиоактивных лучей — губителей жизни, это заражение местности, болезни и страдания тех, кто чудом уцелел, это уродство еще не родившихся детей. Неописуемо бесчеловечное орудие всеобщего разрушения и массового уничтожения людей.
В конце второй мировой войны американская военщина запятнала себя преступлением, которое невозможно ни забыть, ни простить. Уже после фактического разгрома Японии 110 тысяч жизней мирных обитателей городов Хиросима и Нагасаки оборвала внезапная смерть от взрывов двух атомных бомб.
Это было совершенно ненужное с военной точки зрения, сознательно задуманное массовое убийство.
Вот высказывание одного из летчиков—членов команды американского самолета, сбросившего атомную бомбу на Хиросиму:
«...Мы появились над городом Хиросима в 8 часов 15 минут. Это было время, когда люди встают и отправляются на работу. Мы видели движение на улицах: троллейбусы, грузовые машины, группы пешеходов.
Когда бомба упала, наш самолет сильным толчком отнесло в сторону. Мы двигались с огромной скоростью. Через две минуты мы уже смогли увидеть, что произошло позади нас, внизу.
Город исчез. Не осталось ни троллейбусов, ни грузовиков, ни пешеходов. То место, на котором стоял город, было объято пламенем. Огонь быстро распространился на несколько километров, достиг даже окрестных холмов...»
В это время в самом городе, по другому описанию, «...люди мгновенно превращались в обуглившиеся трупы. Под нависшим густым облаком черной пыли... еще живые люди, с обожженной кожей, чудовищно распухшие, корчились в муках последней агонии... Ни деревца, ни травинки не уцелело на обширной испепеленной территории...»
Мы помним, как после разрушения Хиросимы и Нагасаки начался приступ разнузданного торжества американской реакции, как появился пресловутый термин «политика с позиции силы», как назойливо затрещали голоса поджигателей новой войны.
Империалисты принялись высчитывать, сколько лет потребуется Советскому Союзу на освоение-производства атомной бомбы. «Двадцать лет, — в упоении восклицали эти горе-эксперты,—тридцать, сорок...»
Ради курьеза у нас в стране в 1948 году была переведена американская «пророческая» брошюра «Когда у русских будет атомная бомба».
Просчитались предсказатели!
Советский Союз в том же 1948 году уже владел ядерным оружием.
И сразу же наша страна повела борьбу за его запрещение, развернула работы по изысканию мирных путей освоения атомной силы.
УПРАВЛЕНИЕ СТИХИЕЙ
Легендарный Прометей, подарив человеку огонь, видимо, сразу рассказал, как им надо пользоваться. Было бы совсем неплохо, если бы он заодно вручил людям первую противопожарную инструкцию. Ведь мало пользы уметь только зажечь пламя, не зная, как его уменьшить, увеличить или погасить. И издревле человек в совершенстве овладел стихией огня, подчинил ее себе.
А как обстоит дело с подчинением нового, в миллиарды раз более сильного огня — атомной стихии?
Мы видели, что в случаях радиоактивности и взрыва атомной бомбы ядерная энергия выделяется совершенно независимо от воли человека. Единственное, что он может сделать, — это дать первоначальный толчок: скажем, включить механизм, соединяющий куски урана. А дальше процесс вырывается из-под контроля и развивается сам собой. Вещество неудержимо «падает» в «потенциальную яму», в «колодец устойчивости». Замедлить падение невозможно, как невозможно одному путнику остановить лавину в горах. Точно так же нельзя ускорить медлительные «шаги» атомных ядер по «лестницам радиоактивности», даже если эти «лестницы» построены человеком. Но отсюда вовсе не следует, что контроль за ядерными процессами невозможен.
Еще до создания первой атомной бомбы физики научились управлять цепной реакцией деления урановых ядер. Спокойно и послушно воле людей она может идти в специальной установке — ядерном реакторе, или, как иногда говорят, атомном котле.
Устроены ядерные реакторы весьма разнообразно, но в принципе не очень сложно.
Широко описан, например, первый в СССР и в Европе реактор, который представляет собой просто кладку графитовых кирпичей со вставленными в них цилиндрическими столбиками природного урана. Сверху через специальные каналы в кладку можно было вводить регулирующие стержни из материала, жадно поглощающего нейтроны.
Как действует такая установка?
Из-за редких самопроизвольных делений ядер в уране всегда блуждают нейтроны. И, понятно, чем массивнее кусок урана, тем больше в нем блуждающих нейтронов. Но в природном уране они не вызывают цепной реакции. Почему?
Потому что они движутся со слишком большой скоростью.
Дело в том, что естественный уран в основной своей массе состоит из изотопа с атомным весом 238, а его атомные ядра жадно поглощают такие быстрые нейтроны, выводят их из игры.
Между тем, если бы нейтронов хватило, цепная реакция могла бы отлично развиваться на редко встречающихся, но легко делящихся ядрах урана-235.
Как же унять аппетит урана-238, заставить его отказаться от чересчур обильного пожирания нейтронов?
Средство есть. Надо сделать эти нейтроны для него «несъедобными»!
Физики выяснили любопытный факт: урану-238 по вкусу главным образом быстрые нейтроны, а те, что движутся медленнее, он поглощать не любит. Значит, для спасения нейтронов от массовой гибели в уране-238 их нужно каким-то способом замедлить.
Графит в реакторе и играет роль спасителя — замедлителя нейтронов. Сталкиваясь с ядрами его атомов, нейтроны теряют скорость. Кстати сказать, этот графит должен быть тщательнейшим образом очищен от примесей. Даже ничтожные загрязнения способны превратить его из замедлителя в такого же пожирателя нейтронов, как уран-238.
Итак, в системе «природный уран плюс графит» появляются медленные нейтроны. Ядра урана-235 делятся ими гораздо лучше, чем быстрыми. Быстрый нейтрон часто может «прострелить» ядро урана-235, не вызвав никаких последствий, а медленный почти всегда застревает в этом ядре и расщепляет его. В итоге цепная реакция становится вполне возможной.
Остается пояснить, как ею управляют.
Для этого служат стержни из соединений кадмия и бора, которые, как мы помним, можно опускать внутрь уран-графитовой кладки.
Кадмий и бор обладают способностью очень сильно поглощать нейтроны, причем, в отличие от урана-238, любые — и быстрые и медленные. Выдвигая эти стержни из реактора, мы постепенно наращиваем нейтронный поток и даем начало цепному процессу. Манипулируя стержнями, мы по желанию усиливаем или ослабляем реакцию и при любой необходимости останавливаем ее. Тем самым мы регулируем количество выделяемой энергии.
Как мы теперь видим, расщепление атомных ядер вполне подвластно воле человека.
ДРОВА В ЗОЛЕ
Кроме уран-графитового, существует немало других типов реакторов. Интересны котлы на быстрых нейтронах, в которых не только «сгорает» уран-235, но одновременно из урана-238 вырабатывается новое ядерное горючее—плутоний-239. Академик И. В. Курчатов однажды сравнил такую установку с чудесной печкой, из которой вместе с золой можно выгрести больше топлива, чем сгорело.
На первый взгляд, это невозможно.
Но такие установки уже созданы.
Мы уже знаем, что уран-238 вбирает в себя быстрые нейтроны. Так вот, поглотив эту частицу, урановое ядро превращается в очень неустойчивое ядро урана-239. Примерно через 23 минуты это ядро распадается и, дважды испустив электрон и нейтральную частичку нейтрино, переходит в ядро зауранового элемента — плутония-239. Плутоний и служит новым ядерным горючим, которое делится нейтронами не хуже урана-235.
С расчетом на такое «воспроизводство» ядерного горючего реактор приходится строить своеобразно. Прежде всего он должен работать на быстрых нейтронах (ведь только они входят в «рацион» урана-238). Как этого добиваются? Вот простейший способ.
Устраивают сердечник, в котором помещают блоки урана, сильно обогащенного горючим ураном-235. Получается почти атомная бомба. Там идет еле сдерживаемая цепная реакция. Выделяющиеся в процессе расщепления ядер нейтроны мощным потоком вырываются наружу и попадают в блоки урана-238, размещенные вокруг сердечника. В итоге в блоках постепенно накапливается плутоний. Отделить его нетрудно. Эта операция выполняется на специальных химических заводах.
В подобном реакторе можно получить и третий вид ядерного горючего—уран-233. Только вместо блоков урана-238 вокруг сердечника располагают блоки тория-232 (из него-то и образуется уран-233). Причем для изготовления урана-233 даже не обязательны быстрые нейтроны. Процесс вполне осуществим на медленных нейтронах, что гораздо удобнее — проще регулировать выделение энергии. Искусственное ядерное горючее может, так же как и уран-235, использоваться для изготовления атомных бомб. В частности, американская бомба, сброшенная на Нагасаки, была плутониевой.
Но воспроизводство ядерного горючего имеет громадное значение и для мирной ядерной техники. В реакторах, о которых мы сейчас рассказали, и в самом деле удается получить больше нового горючего, чем израсходовано. Речь идет о полном энергетическом использовании всего природного урана (а не жалких 0,7 процента, приходящихся в нем на долю урана-235) и всего тория. Запасы же этих элементов на нашей планете немалые. По содержанию энергии они превосходят ресурсы угля и нефти.
ЗАРЯ ГРЯДУЩЕГО
Нет, не японская трагедия открыла атомную эру.
Атомный век начался 27 июля 1954 года — в день, когда в нашей стране, возле одного из подмосковных городков, вступила в строй маленькая атомная электростанция мощностью всего в 5 тысяч киловатт. Первая из первых в мире, она явилась родоначальницей прогресса могучей ядерной энергетики.
Схема действия этой знаменитой станции известна теперь каждому любознательному человеку.
В уран-графитовом реакторе выделяется тепло. Оно выносится оттуда водой, текущей под давлением. Эта вода радиоактивна, опасна для человека. Но через стенки труб, поглощающих вредоносные лучи, проходит тепло, которое используется для получения пара из другой — чистой воды. Этот пар вращает турбогенераторы, вырабатывающие электроэнергию. Подобная схема — одна из множества возможных.
Атомные электростанции могут различаться и типом реактора, и способом отвода тепла, и методом преобразования тепла в электрический ток. Предстоит испробовать десятки вариантов, проверить их в эксплуатации, выбрать наилучшие — самые простые, надежные, экономичные. Перед инженерной и изобретательской мыслью — широкий простор исканий.
Осенью 1958 года вступила в строй первая очередь новой советской атомной электростанции мощностью уже 100 тысяч киловатт. Полная же мощность этой станции составит 600 тысяч киловатт.
По стопам нашей Родины пошли и другие страны. Атомные электростанции сооружены в Англии, Франции, Канаде, в Соединенных Штатах Америки.
Ядерная энергия проникает на транспорт. Спущен на воду атомный ледокол «Ленин». Разрабатываются проекты атомных локомотивов, самолетов, даже атомных ракетных кораблей.
Расщепление тяжелых ядер — сегодняшний день нашей индустрии.
Однако остановится ли атомная техника на использовании одного лишь расщепляющегося ядерного горючего? Конечно, нет! Это только начало.
Ведь запасы урана и тория в земной коре не безграничны, добывать их не так-то уж легко. Давно уже возник вопрос: а нет ли какого-либо более доступного ядерного сырья, нет ли способа обойтись без урана и тория при извлечении атомной энергии, найти для этого другие элементы, другие методы?
Чтобы получить ответ на такие вопросы, мы вновь возвращаемся к Солнцу. Именно там найдем мы новое ядерное топливо, новый способ его сжигания. Но сначала мы обязаны подробнее разобраться в особенностях бурной жизни светила.
1. СВЕРКАЮЩИЙ ПОКРОВ
Рождение света. Фарфор и сажа. Черное Солнце . Электроны-прыгуны. Разгадка шифра . Фотонное меню .
2. ПРАВО СИЯТЬ
Мяч с отоплением. Мнимый запрет. Конституция микромира.
Частицы и среда. Волны вероятности. Лыжники-кудесники. Сквозь непроницаемое. Разрешение дано.
3. ЯДРА СЛИВАЮТСЯ
Снаружи и внутри. Первые пробы. Решающее открытие. Главный этап. Конвейер реакций . Ядра-повара. Теория и опыт . Подводим итоги. Вчера и завтра . Судьбы звезд.
