Чего не знали алхимики

«Раскали короля на огне, смотри, чтобы не растопился, и делай сие семь раз… и положи его в муравленный, из кипрской земли сделанный сосуд, то и получишь неимоверное сокровище, коим можешь произвести удивительные дела».

Что здесь написано? О каком короле идет речь?

Слова эти писались в одном из трактатов алхимиков.

В глухое время средневековья, когда подлинных ученых сжигали на кострах инквизиции, процветали различные лженауки — богословие, астрология, алхимия…

Возле огромных сосудов восседали «ученые» мужи и, соединяя одно вещество с другим, пытались из простых веществ получить драгоценный металл — золото. Им, конечно, это не удавалось. Все свои неудачи алхимики приписывали тому, что еще не открыт некий «философский камень», обладающий свойством превращать простой металл в благородное золото.

Возле огромных сосудов восседали «ученые».

И выдержка из «ученого» трактата о короле есть не что иное, как один из многочисленных рецептов получения такого «философского камня». Рецепт этот был написан скорее для себя самого, нежели для широкого пользования. Автор специально засекретил вещество, которое, по его убеждению, должно решить задачу «философского камня», назвав его «королем». Но ни «король», ни тысячи других веществ в действительности не превращались в «философский камень». Много напрасных усилий тратилось, много всяких трактатов писалось… Находились даже такие «ученые», которые пытались выварить чудодейственный «философский камень» из… костей умерших философов.

Когда вновь восторжествовали подлинные науки, была доказана абсурдность исканий алхимиков, не имевших под собой никакой научной почвы.

И вот теперь, в век небывалого научного прогресса, уже настоящие ученые вдруг снова заговорили о возможности превращения некоторых простых веществ в драгоценные.

Оказывается, что и впрямь можно добиться превращения, например, дешевой ртути в дорогое золото.

«Неужто найден „философский камень?“» — спросите вы.

Нет, чудодейственного камня не найдено, но наукой открыта еще одна, очень глубоко запрятанная тайна природы — тайна атома. Еще древние греки назвали словом «атом» (неделимый) самую маленькую частичку вещества… Такую частичку трудно себе представить, — ее размеры очень малы. Древние ученые не знали ее величины, но догадывались, что если дробить какое-либо тело, например камень, то можно получать всё меньшие и меньшие частички, пока не образуется «порошок» из самых малых частиц, которые уже не будут делиться.

Вот из таких мельчайших «кирпичиков», связанных между собой, — думали ученые древности, — и составляется уже видимое глазом тело.

Знаменитый ученый и философ-материалист древней Греции Демокрит еще за четыреста лет до нашей эры писал: «Атомы бесконечны числом и бесконечно разнообразны по форме. Их столкновения и пространственное движение и вращение и есть начало миров…»

Спустя триста пятьдесят лет после Демокрита другой ученый древности — римский философ Лукреций — написал целую книгу в стихах: «О природе вещей», где вновь повторил взгляды Демокрита, Эпикура и других своих предшественников на строение тел, видя в начале всех начал маленькую материальную частичку — атом.

Лукреций писал, так же, как и Демокрит, противопоставляя атом религиозному обману:

Но голоса ученых-материалистов древности потонули в хоре богословских речений лжеученых. Всесильная тогда религия, душившая всякую живую мысль целых пятнадцать столетий, заставила забыть и о замечательных мыслях Демокрита и Лукреция.

Вместо того, чтобы разгадывать тайну атома и этим путем проникать в искусство изменять вещество, алхимики искали «философский камень»…

Лишь к концу XVI века, когда вновь стали возрождаться науки и искусства, человечество опять услышало слово «атом» из уст передовых ученых той эпохи — итальянца Джордано Бруно, француза Пьера Гассенди.

Но и через две тысячи лет после Демокрита атом всё еще представляли как «кирпичик» — неизменную маленькую неделимую частичку любого вещества любого тела. А Пьер Гассенди, признав атом, вместе с тем допускал, что бесчисленное многообразие этих атомов, образующих все тела природы, было создано… богом.

Трудно было пробиться настоящей науке через чащу религиозных представлений, насаждавшихся долгими тысячелетиями…

Начало научному пониманию строения различных веществ в природе было положено великим русским ученым Михаилом Васильевичем Ломоносовым.

«Корпускулы, — писал Ломоносов, — однородны, если состоят из одинакового числа одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом… Корпускулы разнородны, когда элементы их различны и соединены различным образом или в различном числе. От этого зависит бесконечное разнообразие тел…»

То, что Ломоносов называл «корпускулами», — мы называем теперь «молекулами». Всякое вещество состоит из мельчайших частиц этого вещества — молекул, которые совершенно похожи друг на друга. Но молекулы делимы. Они состоят из еще более мелких частиц — атомов. Если вещество простое, то все атомы в молекуле одинаковы. Если вещество сложное, — атомы в молекуле не все похожи друг на друга, молекула сочетает в себе несколько разных атомов.

Однако и для Ломоносова и для ученых более поздних лет оставалось загадкой, — что же такое атом?

Молекула — то, что древние ученые называли «атомом», то есть «кирпичик» всякого вещества, — делима.

Но делимы ли те частицы, которые теперь стали называться атомами и из которых строятся молекулы?

Тайны атома не знали средневековые алхимики, ее не знали и ученые более поздних веков.

 

Научный подвиг Менделеева

Открытие одной из самых глубоких тайн природы — тайны атома — началось лишь в самом последнем десятилетии прошлого века.

Но, прежде чем рассказать, как началась разгадка атома, нам необходимо познакомиться с величайшим в истории науки открытием, которое было сделано выдающимся русским ученым Дмитрием Ивановичем Менделеевым и которое Энгельс назвал научным подвигом.

В середине прошлого века химия была модной наукой. К ней влекло многих молодых людей, стремящихся к образованию. Соединение различных веществ, получение неизвестных ранее, раскрытие свойств жидкостей и газов, проникновение в «кухню природы» — всё это увлекало, всё это было новым, сулило творческие радости… Но изучать химию было очень трудно. Надо было помнить множество различных соединений, их свойства. Надо было зубрить огромное количество наименований и реакций, подчас не находя никакой связи между отдельными химическими явлениями. Виной всему был хаос. Если в математике всегда наблюдался строгий порядок, точная логика, то химия казалась наукой сумбурной, без общих законов.

Когда Дмитрия Ивановича Менделеева пригласили прочесть курс общей химии студентам Петербургского университета, он прежде всего задумался над тем, как бы доходчивей, проще и вместе с тем глубже преподнести столь сложную науку своим молодым слушателям.

Дмитрий Иванович уже давно работал над изучением общих закономерностей в химии. Он не мог мириться с хаосом в его любимой науке. Он считал, что хаос существует лишь потому, что человеческий разум еще не открыл каких-то общих законов природы…

Дмитрий Иванович Менделеев.

И вот, строя свой университетский курс химии, Менделеев одновременно с этим начал приводить в порядок свои прошлые многочисленные наблюдения и исследования. При этом главная цель состояла в том, чтобы отыскать связь между различными химическими веществами и явлениями.

Поставив ясную цель, ученый шел к ней трудными путями науки, — множество опытов, составление карточек на все известные простейшие вещества (или, как их назвали, «элементы»), точное описание свойств каждого из них.

И вот, среди дремучего леса фактов появился просвет. Ученый обнаружил, что химические свойства каждого элемента определяются прежде всего его атомным весом. Дальше просвет всё расширялся и расширялся. Элементы были выписаны на листе бумаги в порядке возрастания их атомных весов, и открылось новое, поразительное явление: элементы с похожими химическими свойствами повторялись через определенный период. Так, первым в ряду элементов стоял водород — самый легкий, с атомным весом 1. Затем Менделеев ставил металл литий с атомным весом 7. Дальше шли бериллий, бор, углерод, азот, кислород, фтор и натрий — по всё возрастающим атомным весам. По своим свойствам похожим на литий оказывался только натрий. Между литием и натрием стояло шесть непохожих элементов. Зато похожим на металл бериллий, что следовал за литием, оказывался металл магний, который стоял за натрием. То есть от лития до натрия шел один период, состоящий из элементов с разными свойствами, а от натрия и дальше пошел второй период, где снова чередовались элементы, похожие по свойствам на элементы первого периода.

И вот, открыв закон периодического повторения свойств элементов, Менделеев построил строгую, систематическую таблицу расположения всех известных науке химических элементов.

В 1869 году первый вариант такой таблицы ученый отпечатал и разослал химикам разных стран.

Закон, которому подчиняются химические явления, был открыт.

«Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости (то есть правильно повторяются) от их атомного веса…», — писал Менделеев.

Атомный вес, строение атома — вот где основа закономерностей.

Таблица, построенная великим ученым, оказалась той основой, на которой быстро и уверенно стала развиваться наука об атоме.

Самое первое и самое удивительное доказательство колоссальной значимости своего открытия Менделеев явил научному миру тогда, когда смог на основе своей таблицы предсказать свойства еще не найденных к тому времени в природе элементов.

…Молодой французский химик Лекок де Буабодран в 1875 году нашел в цинковой руде Пиренейских гор новый, неизвестный еще в науке, химический элемент. Буабодран назвал этот элемент «галлием» — в честь своей родины Франции, которая в древности именовалась Галлией. Коротенькое сообщение Буабодрана в «Докладах» Парижской Академии наук обратило на себя внимание химиков всех стран. Это был 65-й по счету элемент, первый вновь открытый после составления таблицы Менделеева, где было всего 64 элемента. Правда, о законе, открытом русским ученым, за границей предпочитали умалчивать, сводя его к рядовой попытке некоторого упорядочения, систематизации в химии. Но как раз история с галлием и доказала, что Менделеевым найден закон, открывающий перед учеными новую, прямую дорогу к вершинам знания.

Описывая свойства открытого им элемента, Буабодран указывал, что галлий обладает атомным весом 68, а удельным весом — 4,7. Ученые всего мира занесли в свои справочники данные о новом элементе. Никто из них не задумывался над достоверностью этих сведений.

И только один ученый — профессор Санкт-Петербургского университета Дмитрий Менделеев — позволил себе усомниться. Менделеев ожидал открытия элемента вроде галлия, — об этом ему говорил найденный им периодический закон. В своей таблице Менделеев оставил специальную клеточку, поставив туда элемент с названием «экаалюминий», описав еще за пять лет до открытия Буабодрана свойства «экаалюминия», которые и оказались близкими к свойству галлия.

Но Менделеева удивило то обстоятельство, что у французского ученого новый элемент имел удельный вес 4,7, а не 5,9–6,0, как это вытекало из закона.

И вот Буабодран получает письмо, где ему рекомендуется уточнить значение удельного веса. На сей раз удивлен был Буабодран: как так — он, единственный человек в мире, державший в руках галлий, ошибся, а какой-то русский профессор, на основании одних своих рассуждений, осмелился его поправлять!

Однако добросовестность ученого заставила Буабодрана заново проверить свои измерения. И каково же было его смущение, когда при точной проверке удельный вес галлия действительно оказался равным 5,96. Ученый вынужден был выразить восхищение своему гениальному русскому коллеге: «Я думаю, нет необходимости настаивать на огромном значении подтверждения теоретических выводов г. Менделеева», — писал Буабодран. И впрямь, это было начало триумфа нового закона.

Вскоре были открыты и другие элементы, предсказанные Менделеевым, — клеточки заполнялись. В таблице периодической системы элементов стало насчитываться 92 элемента. Причем последним оказался тяжелый элемент «уран», с атомным весом 238. Сейчас уже найдены и другие элементы, полученные искусственным путем, доводящие общее их число до 100.

Уран — элемент, имеющий самый тяжелый атом из всех существующих на земле, привлекал особое внимание творца периодического закона. «Между всеми известными химическими элементами уран выделяется тем, что обладает наивысшим атомным весом… — писал Менделеев, — убежденный в том, что исследование урана, начиная с его природных источников, поведет еще ко многим новым открытиям, я смело рекомендую тем, кто ищет предметов для новых исследований, особо тщательно заниматься урановыми соединениями…»

Жизнь уже вскоре доказала, что и это предвидение Менделеева оказалось пророческим. Уран помог проникнуть в тайны строения атома.

 

Начало разгадки

Своим гениальным открытием Менделеев положил начало разгадке глубокого секрета природы. Не прошло и десяти-пятнадцати лет, как многие ученые, пользуясь периодическим законом, уже могли, пока еще теоретически, но достаточно глубоко, заглянуть в тот мир, который именуется «атомом». Одним из первых таких исследователей, в совершенстве овладевшим законом Менделеева, был русский ученый Чичерин. В восьмидесятых годах прошлого века, еще не имея в своих руках никаких опытных данных, пользуясь одними лишь математическими расчетами, вытекающими из периодического закона, он пришел к выводу, что «бесконечно малый атом, невидимый для глаз и постигаемый только разумом, управляется теми же законами, которые движут небесные светила в бесконечно великих пространствах вселенной… Каждый атом представляет собой подобие солнечной системы с центральною массою и обращающимися около нее телами».

Многим, вероятно, в то время казалось странным такое сопоставление: атом и солнечная система. Быть может, и вовсе выводы Чичерина не обратили на себя внимания, но факт остается фактом, — этим предположением своим русский ученый предвосхитил более поздние открытия, где уже на основе опыта была создана именно такая модель атома.

Больше того, Чичерин говорил об атомах, что «они неделимы в пределах нашего опыта, но мы не имеем основания сказать, что они неделимы безусловно».

Еще никто не поднимал в науке вопроса о делимости атома, а русский ученый Чичерин об этом заговорил и заговорил только на основании закона Менделеева.

Однако наука требует, чтобы любая теория, любые расчеты, любые предположения были подтверждены опытом. Лишь опыт, наблюдения, тщательно проверенные и многократно повторяющиеся, могут доказать правильность теоретических положений.

Еще через десяток лет, в 1896 году, состоялся и первый опыт. Состоялся он неожиданно, и проделан он был с ураном. Вот как это произошло.

В 1895 году немецкому ученому Рентгену удалось обнаружить невидимые таинственные лучи. Лучи эти могли проникать через непрозрачные стенки, давать отпечаток на фотопластинке и делать воздух или газ, через которые они проходят, хорошими проводниками электрического тока. Лучи возникали внутри запаянной стеклянной трубки, откуда выкачивался воздух и где между двумя металлическими электродами происходили под высоким электрическим напряжением разряды.

Рентген назвал свои лучи «икс-лучами», то есть «неизвестными лучами». В своих описаниях Рентген указывал, что появление лучей сопровождается желтовато-зеленым светом, исходящим из трубки.

Происхождение луча Рентгена, таящее в себе какую-то загадку, заинтересовало ученых-физиков.

Действием и свойствами этих лучей заинтересовались врачи, которые вскоре научились успешно применять их для «просвечивания» человеческого организма.

Французский физик Беккерель много лет трудился над изучением свойств самосветящихся веществ. Есть такие удивительные вещества, — стоит их немного подержать на солнце, как потом они сами начинают в темноте светиться желтовато-зеленым светом. Прочитав об открытии Рентгена, Беккерель решил проверить: не похожи ли лучи самосвечения на «икс-лучи»? Ну, например, не пройдут ли лучи самосветящегося вещества через черную, не проницаемую для обычного света бумагу и не дадут ли они отпечатка на фотопластинке?

И вот Беккерель начал свои опыты. Он брал кусочек такого вещества, выносил на солнце, а затем водворял его в темную камеру и клал на тщательно завернутую в черную бумагу фотопластинку.

Нельзя сказать, чтобы опыты оказались очень удачными, — некоторые вещества никаких отпечатков не давали, а некоторые — те, в которых содержался уран и его соединения, — действительно оставляли слабые отпечатки. Из этого еще нельзя было сделать каких-либо выводов, — может быть, одни светятся слабее, другие сильнее, а значит, и пластинка к одним почти не чувствительна, а на другие реагирует лучше. Беккерель продолжал проверять всё новые и новые составы веществ. Неизвестно, сколько еще пришлось бы ученому биться, если бы не один «неудачный» опыт, заставивший Беккереля совсем отказаться от своей затеи.

Однажды утром, взглянув на хмурое парижское небо, Беккерель с грустью вынужден был отказаться от проведения опыта.

У него в руках был кусочек нового вещества, содержащего уран. Этот кусочек надо было вынести на солнце, а день был на редкость пасмурный. Беккерель, вздохнув, запер в шкаф приготовленную в черной обертке фотопластинку и лежащий на ней кусочек вещества. Через несколько дней, когда ученый вновь собирался приступить к опытам, он достал приготовленный кусочек вещества, но пластинку заменил другой. Каково же было удивление ученого, когда, проявив новую, а заодно и старую пластинки, он обнаружил на старой пластинке еще более сильный отпечаток по форме кусочка, нежели на новой. Выходит, это вещество и незачем было выносить на солнечный свет, выходит, что и несветящийся кусочек такого вещества испускает лучи, похожие на лучи Рентгена?

Это уже было совсем новым, неожиданным открытием. Ведь тут дело обходилось без всякой трубки, без всяких разрядов…

Просто брался кусочек вещества, излучающего удивительные лучи.

Вот когда Беккерель забыл о своих первоначальных намерениях. Теперь он стал обходиться без солнца. Теперь ему надо было узнать другое, — а какие же вещества способны излучать?

Рядом новых опытов ученому удалось определить, что таким свойством обладают уран и его химические соединения. Именно такие светящиеся вещества, в которые входил уран, и давали отпечатки раньше, — уже в первых опытах ученого.

Свойство урана, обнаруженное Беккерелем, заинтересовало других ученых. Польский физик Мария Складовская и ее муж, французский физик Пьер Кюри, решили определить, какие еще элементы, кроме урана, способны к излучению. Долгими поисками, кропотливым трудом в скромной лаборатории ученым удалось отыскать и другие такие вещества, среди которых особенно выделялся совершенно неизвестный ранее химический элемент.

Ученые назвали его «радий», что по-латыни означает: «лучистый». Действительно, это был элемент еще более лучистый, чем уран, — он излучал в миллион раз сильнее. Мария Складовская и Пьер Кюри назвали свойство некоторых веществ излучать невидимые лучи «радиоактивностью».

Но что же это за лучи? Действительно ли это те же «икс-лучи», что открыл Рентген, или это лучи новые?

Открытие радия дало возможность ученым ответить на эти вопросы, — изучить природу и свойство новых лучей, так как теперь они излучались достаточно сильно. Вскоре было обнаружено любопытное свойство новых лучей. Если кусочек радия поместить в поле сильного электромагнита, то лучи, испускаемые радием, на фотопластинках оставляют три следа, как будто здесь три разных вида лучей. Первый пучок отклоняется немного влево, второй пучок направляется прямо, а третий пучок отходит резко вправо.

Следы излучений кусочка радия, помещенного в поле сильного электромагнита.

Стало ясно, что те лучи, которые отклоняются, состоят из заряженных электричеством частиц. Сложными опытами удалось определить, что левый пучок лучей состоит из быстронесущихся положительно заряженных частичек с массой, почти равной массе атома газа гелия. Эти частички были названы «альфа-частицами» (альфа — α — первая буква греческого алфавита). Лучи, отклоняющиеся вправо, как оказалось, состоят из мельчайших частичек, несущих самый маленький отрицательный электрический заряд, — электронов. (Электроны к тому времени были уже известны ученым, их даже называли «атомом электричества».) Такие лучи были названы «бетта-лучами» (β—вторая буква греческого алфавита). Наконец, средние лучи, «гамма-лучи» (γ—третья буква греческого алфавита), были похожи на лучи Рентгена, как будто они излучались от разряда в виде электромагнитных волн.

Но не лучи Рентгена и не «гамма-лучи» теперь уже занимали ученых. Казалось удивительным другое: из вполне определенного химического элемента радия или урана вылетают какие-то частички, не похожие на атомы этих веществ. Но откуда же им взяться? Выходит, атомы сами могут делиться, выходит, что альфа- и бетта-частички — это какие-то осколки атомов! Атомы могут, оказывается, распадаться!

Опыты, о которых писал Чичерин, раздвинулись, и, действительно, атом оказался делящимся.

И вот, этот-то вывод ученых, идущий вразрез со старыми представлениями о том, что «атом» — неделимая мельчайшая частичка, и явился началом разгадки тайны атома.

 

Атом и его модели

Итак, атом делим. Но как представить себе его строение? Какие мелкие частички и сколько разновидностей их содержится в атоме? Наконец, в каком порядке они там расположены? На все эти вопросы еще не было убедительного ответа. Правда, на основании опытов, ученые стали предлагать различные модели атома, но ни одна из них не казалась достоверной.

Английский физик Томпсон считал, например, что атом состоит из одних электронов, которые как бы плавают в положительно заряженной материи. Что это за материя, которая своим положительным зарядом удерживает отрицательно заряженные электроны, ни сам Томпсон, ни другие ученые объяснить не могли. И совсем нельзя было увязать с моделью Томпсона факт излучения атомами радия и урана α-частиц — положительно заряженных атомов гелия.

Нужны были годы большого труда, кропотливых исследований, сложных вычислений, остроумных опытов, чтобы прийти к единому решению, которое не вступало бы в противоречие с известными уже фактами.

Было бы слишком долго рассказывать о том, как шаг за шагом разгадывалась загадка атома. Попробуем лишь бегло проследить за ходом научной мысли.

В начале текущего века английский физик Резерфорд, проделавший много исследований над радиоактивными излучениями, пришел к выводу, что в атоме должно существовать центральное плотное ядро. Это доказывалось специальными опытами. Далее, на примере простейших атомов — водорода и гелия, — удалось убедиться в том, что ядро несет на себе положительный заряд, удерживающий внутри атома и некоторое количество электронов. Так, у водорода ядро атома имеет положительный заряд, равный заряду электрона. Следовательно, в таком атоме возле ядра находился лишь один электрон. Ученые еще раньше называли атом водорода «протоном» (первичным), теперь под «протоном» стали понимать ядро атома водорода, заряженное положительным зарядом. Так и считалось вначале, что в состав атома водорода входят протон (ядро) и один электрон. А вот у гелия, например, заряд ядра вдвое больше, значит, в ядре этого газа содержится два протона. Следовательно, α-частицы есть не что иное, как вылетающие ядра гелия; по массе они почти равны массе атома гелия (ведь электроны обладают очень малой массой, и их отсутствие почти не отражается на величине атомного веса), а по заряду соответствуют двум протонам.

Итак, ученые пришли к выводу, что атом любого вещества имеет центральное ядро с положительным зарядом и несколько электронов, удерживаемых этим зарядом возле ядра. Вначале казалось, что эти электроны должны составлять «облачко» вокруг ядра, но потом, исследуя дальше свойства атома, ученые создали его модель, которая действительно, как и предполагал Чичерин, напоминает солнечную систему. Эта модель и теперь считается наиболее достоверной. Она, эта модель, возможно, и не совсем точно воспроизводит истинное строение атома, но известные пока факты могут быть объяснены на ее основе. По этой модели атом представляется в виде маленькой системы, в центре которой помещается положительно заряженное ядро, а вокруг ядра по эллиптическим орбитам, или, точнее, оболочкам, движутся отрицательно заряженные электроны. Оболочек может быть несколько, — некоторые из них меньшего диаметра, некоторые большего. Чем оболочка меньше по диаметру, тем прочнее держатся ее электроны возле ядра. Электроны, находящиеся на внешних оболочках, могут отлетать от ядра, могут одновременно принадлежать внешним оболочкам двух атомов, — так образуются молекулы.

Создав такую модель атома и научившись опытом находить величину электрического заряда ядер, ученые поняли, в чем истинный смысл периодического закона Менделеева. Оказалось, что если первый элемент периодической таблицы — водород — обладает ядром с зарядом, равным единице, то следующий, второй, элемент — гелий — имеет ядро с зарядом, равным двум зарядам протона, и т. д. Величина заряда ядра атома любого элемента точно соответствует его порядковому номеру в таблице Менделеева. Следовательно, не столько вес атома, сколько заряд его ядра определяет все свойства вещества. И тот факт, что сам Менделеев не все элементы расположил точно по возрастанию атомных весов, но зато точно по возрастанию величины заряда ядер, оказался поразительным. Великий ученый предчувствовал какие-то более глубокие закономерности, чем просто увеличение атомного веса. Так, например, элемент «теллур» с атомным весом 127,61 Менделеев поставил раньше элемента «иод», хотя атомный вес последнего был меньше— 126,92. По своим свойствам элементы должны были располагаться именно так. И действительно, как оказалось впоследствии, заряд ядра теллура на единицу меньше заряда ядра иода.

В знак признания гениального предвидения Менделеева, порядковый номер элемента в его таблице, а следовательно, величину заряда ядра, ученые теперь именуют «числом Менделеева».

Что же касается атомных весов, то вскоре ученые обнаружили, что один и тот же элемент может иметь несколько разновидностей, отличающихся по атомным весам, но по химическим свойствам абсолютно схожих. Например, известный металл свинец, помеченный в таблице Менделеева номером 82, если он добывается из урановой руды, имеет атомный вес примерно 206, из ториевой руды — примерно 208, а из всех других руд — 207,2. Этот последний вес был определен химиками давно, но он, в сущности, представляет собой среднее значение между урановым и ториевым свинцом. Это значит, что в обычном свинце перемешаны два рода атомов — с весом 206 и с весом 208. По химическим свойствам оба вида свинца совершенно одинаковы, — заряд ядра их атомов тоже одинаковый. Такие разновидности одного и того же элемента, отличающиеся лишь атомным весом, ученые назвали «изотопами». Следовательно, в одной клетке таблицы Менделеева может находиться несколько изотопов элемента. Стало быть, и это обстоятельство указывает на тот факт, что не атомный вес определяет свойства элемента, а заряд его ядра и количество электронов, находящихся на его орбитах.

Однако, придя к такому выводу, ученые долгое время затруднялись объяснить, как же устроено ядро атома и почему между атомным весом и зарядом существует разница? Действительно, ядро атома водорода — «протон» — имеет единичный положительный заряд, и атомный вес тоже примерно равен единице. Следующий за ним в таблице элемент гелий (№ 2) имеет двойной заряд, но атомный вес его в четыре раза больше атомного веса водорода. Далее идет элемент литий (№ 3) — имеет заряд 3, а атомный вес 7, и т. д. Последний элемент таблицы — уран (№ 92) имеет заряд 92, а атомный вес 238.

В чем же дело? Ведь если ядра всех атомов составлены из разного количества ядер простейшего атома — водорода, то есть из протонов, то атомный вес гелия должен быть лишь вдвое больше атомного веса водорода, атомный вес лития — лишь втрое больше, а атомный вес урана — в 92 раза больше. Значит, ядра атомов состоят не из одних только протонов.

Одно время считали, что атомный вес указывает на количество протонов в ядре, а величина заряда ядра, как полагали, оказывается меньшей лишь только потому, что внутри ядра, кроме протонов, имеется еще некоторое количество «связанных» электронов. Эти ядерные электроны как бы нейтрализуют часть положительно заряженных протонов. А другая часть протонов, которая в сумме обладает зарядом, равным порядковому номеру в таблице Менделеева, связана уже не с ядерными электронами, а с внешними, которые движутся по оболочкам.

В 1932 году была экспериментально найдена еще одна частица, содержащаяся в ядре, — по весу она была равна весу протона, но никакого заряда не носила. В том же 1932 году советский ученый Иваненко высказал мысль о том, что ядро атома должно состоять не из протонов и электронов, а из протонов — положительно заряженных частиц — и совсем незаряженных частиц — нейтронов. Ученые смогли дальше усовершенствовать построенную ими модель атома. Стало понятным, что заряд ядра определяется числом протонов в ядре, а атомный вес — числом протонов и нейтронов вместе взятых.

Вот как теперь представляют себе атомы трех первых элементов таблицы Менделеева.

Водород — имеет ядро из одного протона, а по единственной оболочке вокруг ядра движется один электрон — очень легкая подвижная частичка, с массой в 1836 раз меньшей массы протона. Атомный вес определяется, по существу, только массой протона.

Гелий — имеет ядро, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Заряд — 2, атомный вес — 4. По двум внешним орбитам, составляющим оболочку одного диаметра, движутся два электрона.

Литий — имеет ядро из трех протонов и четырех нейтронов. Заряд — 3, атомный вес — 7. На орбитах — 3 электрона. Орбиты составляют две электронные оболочки: малую — с двумя электронами и большую — с одним.

Схемы атомов водорода, гелия и лития.

Когда был найден нейтрон, стало ясно и что такое изотопы. Вот посмотрите на ядро лития: куча мала! Среди трех протонов тесно разместились 4 нейтрона. А ведь в сложных атомах, где 70, 80, 90 протонов, может разместиться много и нейтронов! Вот и получается, что, например, в свинце с атомным весом 206 на 82 протона приходится 124 нейтрона, а в свинце с атомным весом 208 на те же 82 протона приходится 126 нейтронов. В обоих случаях «куча мала» держится, и оба изотопа существуют, обладая одинаковыми химическими свойствами, так как химические свойства определяются количеством внешних электронов, а их количество определяется величиной заряда ядра, то есть числом протонов.

Могут быть, однако, и неустойчивые изотопы. Нейтрон сначала будто бы и прилепился, а вскоре его выбросило, — из одного изотопа получился другой изотоп.

Но что же, в таком случае, вообще связывает между собой нейтроны и протоны, почему положительно заряженные частички не отталкиваются друг от друга, а нейтральные почему не рассыпаются, как биллиардные шарики из пирамиды?

Вот тут-то как раз и начинается следующий этап разгадки тайн атома — этап, связанный с получением атомной энергии.

 

Чудесные превращения

Атом — очень маленькая частичка. А ядро атома по диаметру еще в сто тысяч раз меньше атома. Если бы ядро могло вырасти до размера булавочной головки, то атом оказался бы огромнейшим шаром с диаметром в 100 метров, а булавочная головка при той же степени увеличения выросла бы до размеров солнца! Иными словами — ядро атома во столько раз меньше булавочной головки, во сколько раз булавочная головка меньше солнца. Вот и представьте себе величину тех еще более мелких частиц, которые заключены внутри ядра атома. Там, как мы знаем, уживаются друг с другом протоны и нейтроны. Но какие силы их связывают? Электрическими силы эти быть не могут, — тогда положительно заряженные протоны друг от друга оттолкнулись бы. Значит, это силы не электрические, а еще более мощные, потому что им всё же удается удержать тесно прижатые одноименно заряженные протоны. Что за природа «ядерных сил», как их называют ученые, пока еще точно не выяснено, — это предмет многих исследований, которые проводят ученые наших дней. Некоторые свойства «ядерных сил» уже удалось определить. Известно, например, что в пределах объема ядра, где самое большое расстояние между частицами не превышает 0,0000000000013 сантиметра, силы эти очень велики. Но уже при малейшем увеличении этого расстояния они начинают быстро ослабляться. И, если расстояние между частицами станет в 2–3 раза больше первоначального, силы эти вовсе исчезнут.

Значит, внутри ядра действуют два рода сил, направленных друг против друга: ядерные силы стремятся связать частицы, электрические силы стремятся их оттолкнуть друг от друга. Чем меньше частиц в ядре, тем они ближе друг к другу, тем сильнее оказываются там ядерные связи. В больших атомах, где много протонов и нейтронов и между двумя частицами может оказаться относительно большое расстояние, там ядерные связи слабее.

Вот если бы удалось чем-либо расщепить ядро, раздвинуть еще немного частицы между собой, тогда действие ядерных сил и вовсе прекратилось бы, а под влиянием электрических сил отталкивания некоторые протоны, а вместе с ними и нейтроны, вылетели бы из ядра. И при этом летели бы они с огромнейшими скоростями.

Но если из ядра будет удален хотя бы один протон, то, следовательно, и заряд такого ядра, и вес его изменятся. А раз изменится заряд, то и химические свойства вещества станут другими. Или, иными словами, один элемент превратится в другой.

Ядра самых тяжелых элементов — урана, тория, радия — сами распадаются. Одни быстрее, другие медленнее. Излучение, которое открыл Беккерель у урана, а супруги Кюри — у радия, есть не что иное, как результат постепенного распада атомных ядер этих элементов. Распад этот идет медленно, но непрерывно и закономерно. Ученые установили, например, что если взять какое-то количество урана, то через четыре с половиной миллиарда лет половина этого количества распадется.

Для элемента радия время «полураспада», как говорят ученые о распаде половинного количества, равно 1590 лет, — ведь излучение радия происходит более интенсивно!

Миллиарды лет уже длится этот распад тяжелых элементов. Постепенно они превращаются в нераспадающиеся, устойчивые элементы — изотопы свинца. Открыв это явление, ученые сейчас получили возможность высчитать, сколько лет существует наша планета — Земля.

Раньше считалось, что огненно-жидкий земной шар охлаждался до теперешнего состояния не менее 40 миллионов лет, потом различными способами был найден другой минимальный срок — 30 миллионов лет. Но всё это было далеко не точно. Теперь ученые установили, что Земля значительно старше, — ей около пяти миллиардов лет.

В ядрах тяжелых элементов внутриядерные силы не очень велики, — потому и распадаются эти элементы. Но можно ли, есть ли действительно такие возможности, чтобы искусственно изменять заряд ядра любого элемента — выбивать оттуда или, наоборот, добавлять туда протоны?

Впервые такой опыт поставил английский физик Резерфорд в 1919 году.

Ему удалось бомбардировкой α-частицами, каждая из которых имеет два протона, превратить газ азот в газ кислород. Посмотрите на таблицу Менделеева. Вы увидите, что азот превратить в кислород можно, только увеличив заряд атома азота с 7 до 8, то есть на единицу. Выходит, что один из протонов, содержащихся в α-частице, не выбивает из ядра атома азота протона, а, наоборот, сам застревает в этом ядре. В результате появляется новый химический элемент — газ кислород.

Это ли не чудесное превращение? Теперь уже научились искусственно преобразовывать и другие элементы, в том числе и ртуть в золото. Из ядра ртути выбивается один протон, и простой металл ртуть (№ 80 по таблице Менделеева) превращается в благородный металл золото (№ 79).

Не «философский камень» алхимиков, а строгое научное проникновение в тайны природы сделало возможными такие чудесные превращения.

Но не они являются главным результатом научных достижений физики атомного ядра. Такое получение золота, например, оказывается пока слишком дорогим и потому нецелесообразным.

Основной практический итог современной науки об атоме в другом — в открытии способов и средств освобождения и использования той колоссальной энергии, которая таится в атомном ядре.

 

Могучая энергия

Вторая мировая война подходила к концу. Победоносная Советская Армия, разгромив гитлеровские фашистские полчища, наносила решающие и стремительные удары по войскам агрессивной Японии. Мир ожидал близкой развязки.

И вот, в августе 1945 года, когда исход войны был предрешен, над японским городом Хиросима с американского самолета была сброшена бомба необычайной силы. Невиданная ранее сила взрыва смела с лица земли многолюдный город, погубив в огне и развалинах около двухсот тысяч жителей.

Мир был потрясен и силой новой бомбы, о которой стало известно, что она основана на использовании атомной энергии, и бессмысленным, бесчеловечным способом ее применения. Атомная бомба, первыми жертвами которой стали сотни тысяч горожан, представилась миру как грозное предзнаменование небывалых ужасов будущих войн, где стиралась разница между фронтом и тылом.

Народы всех стран, обеспокоенные судьбами человечества, повели длительную и неустанную борьбу за запрещение атомной бомбы, за использование новой могучей энергии в мирных целях.

«Не разрушать, а созидать с помощью могучей атомной энергии!» — вот что написано на знаменах борцов за мир.

Что же это за энергия? Почему она обладает такою мощью? Где таится секрет получения этой энергии? Почему до сих пор, на протяжении всей истории своей, человечество не могло воспользоваться ее необычайными возможностями?

Не могло?

Впрочем, это не совсем так, даже совсем не так. В действительности человечество именно с самого своего зарождения пользуется одним из проявлений атомной энергии — энергией Солнца. Миллиарды лет Солнце посылает тепло и свет, согревая Землю, вселяя в нее жизнь. Миллионы лет человечество не знало, откуда берется такой неиссякаемый запас энергии. Религия объясняла это сверхъестественными, недоступными человеческому разуму, силами богов. Ученые же искали научное объяснение. Еще совсем недавно считали, что Солнце — гигантский раскаленный шар, медленно, миллиарды лет, остывающий. Но трудно было объяснить, — что же это за шар, как он устроен, откуда у него такие запасы тепла?

Ведь чтобы выработать столько энергии, сколько излучает Солнце, пришлось бы построить 180 000 000 миллиардов таких электростанций, как Куйбышевская!

И только в последние годы, после того как были разгаданы тайны атома, ученые начали понимать и природу Солнца. Оказалось, что на Солнце происходит непрерывный процесс выделения колоссальной атомной энергии. Благодатные солнечные лучи, которым мы так рады и зимой и летом, несут нам тепло и свет — результат гигантского производства атомной энергии на Солнце. Но ведь и любой уже знакомый нам вид энергии — энергия воды, энергия ветра, тепло сгорания топлива — тоже обязан своим происхождением Солнцу!

Значит, человечество уже давно пользовалось атомной энергией… Но получать ее непосредственно — не через солнечные излучения, а так же, как на самом Солнце, — человек не умел. И лишь в наши дни наука, наконец, постигла некоторые секреты получения атомной энергии. Открылись возможности практического использования этой энергии.

Атомную энергию следовало бы именовать, более точно, ядерной энергией. Именно в ядрах всех атомов и таится огромнейший запас энергии.

Мы уже говорили о силах, связывающих протоны и нейтроны в тесные группки, которые и представляют собой компактные, плотные ядра атомов. Чтобы разорвать ядерные силы, нужно попасть каким-либо «снарядиком» в ядро. При этом освобожденные протоны и нейтроны под действием электрических сил отлетят с огромными скоростями. Долго ученые искали нужные «снарядики». Вначале бомбардировку вели α-частицами, то есть положительно заряженными ядрами гелия (2 протона + 2 нейтрона). Но попасть в ядро любого атома оказалось при этом весьма сложно: положительно заряженные α-частицы отталкивались положительно заряженными ядрами. И, лишь разогнав α-частицы до чрезвычайно больших скоростей, удавалось добраться до ядра, пробив блокаду электрического поля. Но отдельные попадания завершались либо «застреванием» протонов и, следовательно, превращением одного элемента в другой, либо выбиванием протона, что также вело к «чудесным превращениям». Выход энергии же оказывался незначительным, — не окупались затраты энергии на бомбардировку.

Говоря об энергии, мы подразумевали прежде всего кинетическую энергию тех осколков, тех частичек, которые отлетают от ядра под влиянием сил электрического отталкивания (после того, как ядерные силы окажутся ослабленными) с. колоссальнейшими скоростями. Такие «осколки» могут пролетать расстояние от Земли до Луны менее чем в полминуты. При подобных скоростях и «осколки» и среда, в которой они летят, нагреваются. Происходит превращение кинетической энергии в тепловую. А тепловую энергию уже можно использовать для многих нужд.

Однако получить в достаточном количестве тепловую энергию бомбардировкой ядер, как уже сказано, оказалось затруднительным, да и не выгодным. Положение не изменилось и тогда, когда ученые вместо α-частиц стали использовать новые «снарядики» — нейтроны. Правда, теперь уже не требовалось затрачивать много энергии на разгон «снарядиков» в специальных устройствах, так как незаряженные нейтроны не отталкивались ядрами. Но сами нейтроны оказались дефицитными «снарядиками», — их надо было получать с помощью тех же α-частиц. Приходилось создавать «двойные пушки».

Так долгое время вопрос о практическом использовании атомной энергии, то есть о выделении ее в достаточном количестве, оставался нерешенным.

Но вот в 1939 году ученые, вооруженные нейтральными «снарядиками», попробовали обстрелять ядра тяжелых элементов таблицы Менделеева.

Нейтронам не опасны большие заряды положительного электричества, которые несут ядра тяжелых элементов, а, с другой стороны, в эти ядра легче попасть, — они большие по объему. И тут-то выяснилось интересное явление: если нейтрон попадал в ядро самого тяжелого элемента — урана, это ядро раскалывалось почти на две равные части. Осколки при этом разлетались с огромными скоростями, оттолкнув друг друга. Кроме осколков, которые представляли собой теперь ядра новых элементов, относящихся к средней части таблицы Менделеева (кобальта, цезия, бария, криптона и других), при делении ядра урана вылетали с большими скоростями 2–3 свободных нейтрона.

Это было очень важным открытием. Его тщательно изучали крупнейшие физики мира; трудами итальянского ученого Ферми, немецких ученых Гана и Штрассмана, французских ученых Жолио-Кюри и советского ученого Френкеля было доказано, что в реакции деления ядер урана лежит возможность практического получения атомной энергии.

«Нужно лишь создать условия, — говорили ученые, — при которых происходила бы „цепная реакция“ деления ядер урана».

«Цепная реакция»? Но что это значит? При чем тут цепь?

Оказывается, именно в цепочке-то и состоит всё дело. Допустим, что в какой-то кусочек урана попал «снарядик» — нейтрон — и одно ядро разделилось. Но ведь при этом образовалось три новых «снарядика»! Что, если каждый из них попадет в новые ядра? Теперь уже разделятся сразу три ядра и при этом появятся девять новых «снарядиков». А эти девять, далее, в свою очередь, разделят девять новых ядер, откуда вылетят двадцать семь «снарядиков», и т. д. «Огневая мощь» атомной артиллерии будет всё возрастать и возрастать, как это показано на рисунке.

Такая реакция, которая охватывает всё новые и новые соседние ядра и при этом развивается всё в более крупных масштабах, и названа «цепной ядерной реакцией».

Так происходит цепная реакция деления ядер урана.

Стоит попасть одному нейтрону, как неудержимая лавина нейтронов, всё нарастая и нарастая, разделит огромное количество ядер. Вот теперь разлетающиеся осколки, количество которых неисчислимо, вызовут выделение колоссального количества тепла.

Но не во всяком кусочке урана такая реакция возможна. В маленьком кусочке многие нейтроны могут, не встретив ядра на своем пути, вылететь за его пределы. И лишь в сравнительно больших кусках — куда бы нейтрон ни полетел, он всюду встретит новое ядро. Наименьшая масса, при которой возможна «цепная реакция», называется «критической массой».

Первая атомная бомба, сброшенная над Японией, состояла из двух кусков урана, которые вместе составляли «критическую массу» примерно в 1 килограмм. Для взрыва особым способом оба куска мгновенно сближались, и быстро развившаяся цепная реакция вызвала выделение тепловой энергии огромной мощности.

Но ведь, кроме сближения двух кусков урана, следовало их «поджечь», — выстрелить нейтроном?

Оказывается, даже и в этом нет необходимости. Советские физики Г. Н. Флеров и К. А. Петржак обнаружили, что ядра урана могут и сами, без всякого обстрела, делиться на осколки с высвобождением нейтронов. Значит, как только образовалась «критическая масса», нейтроны, вылетевшие из первого же разделившегося ядра, начинают цепную реакцию.

И вот в Хиросиме, ценою многих человеческих жизней, погибших по вине тех, кто решил применить атомную бомбу, человечество впервые убедилось в реальной возможности получения могучей энергии атома.

Но использовать в мирных целях тот же способ «критической массы» с мгновенным выделением колоссальной энергии, конечно, нельзя.

И следующим этапом развития научных работ явился этап изыскания путей выработки атомной энергии для мирных целей. Крупный вклад в разработку этих вопросов внесли ученые Советского Союза, представители новой, самой человечной, самой прогрессивной, социалистической науки.

Но, прежде чем перейти к рассказу о том, как удалось атомную энергию заставить приводить в движение станки и освещать дома, вернемся к Солнцу.

Выше было сказано, что солнечная энергия — энергия ядерная. Но неужто там, на Солнце, всё время происходят деления урановых ядер?

Нет, оказывается, атомную энергию можно выделить и не только делением ядер тяжелых элементов. Огромная энергия может быть получена и при слиянии ядер легких элементов. Правда, такой способ сложнее и его осуществить удалось лишь в дальнейшем, когда наука овладела способом деления урановых ядер.

Ведь как совершается химическая реакция окисления, которую мы обычно называем горением?

Вот, скажем, лежит полено дров. Сухое, березовое, а само не воспламеняется. Стоит, однако, поднести спичку и на одном небольшом участке нагреть полено, как древесина, получив со стороны, от спички, необходимое тепло, окажется в состоянии вступить в химическую реакцию с кислородом. А при такой реакции начнет выделяться еще большее количество тепла. Появится пламя, нагревающее соседний участок полена, — и горение начнется.

Нечто подобное может произойти и с ядрами легких элементов.

Если вначале их сильно нагреть, они начнут двигаться с большими скоростями, налетать друг на друга и при очень сильном сближении, когда ядерные связи вступят в действие, сливаться в новые ядра. Однако здесь теплом серной спички ничего не добьешься. Для таких реакций слияния требуется нагрев до миллионов градусов. Эти реакции получили название «термоядерных».

В настоящее время уже удалось произвести и термоядерные реакции, в результате которых при слиянии ядер, например тяжелого водорода, может быть выделена в тысячу раз большая энергия, чем при делении ядер урана.

«Спичкой» в такой реакции служит урановая бомба, при взрыве которой как раз и создается температура в несколько миллионов градусов.

В качестве ядер легких элементов для такой реакции сейчас применяют ядра тяжелого водорода. Эти ядра, в отличие от обычного водорода, кроме одного протона, содержат еще один нейтрон. Тяжелый водород получается из тяжелой воды, а тяжелая вода в небольшом количестве содержится в составе обычной воды.

Во время термоядерной реакции два ядра тяжелого водорода, слившись, образуют ядро гелия и выделяют при этом огромную энергию.

На термоядерной реакции основан принцип действия «водородной бомбы», которая содержит в себе известное количество тяжелого водорода и урановую бомбу, нужную как взрыватель.

Мощность «водородной» бомбы теоретически беспредельна. Здесь нет «критической массы», и, чем больше приготовлено тяжелого водорода, тем сильнее окажется действие бомбы. Кроме того, и сам выход энергии здесь больше: килограмм водорода, превращаясь таким путем в гелий, выделяет в несколько раз больше энергии, чем килограмм полностью разделившегося урана.

На Солнце, как установили ученые, как раз и происходит непрерывная термоядерная реакция с образованием газа «гелия», который свое наименование («солнечный») получил оттого, что он впервые в большом количестве был обнаружен в составе газов, окружающих Солнце. Солнце — своеобразная водородная бомба, но замедленного действия.

Для промышленных нужд наука еще не нашла способов использования термоядерных реакций. Еще не открыты возможности получения замедленных термоядерных процессов в земных условиях. Еще не научились создавать «искусственные солнца»…

Но вот энергия деления урановых ядер уже освоена. И первое промышленное применение она получила у нас, в советской стране. В четверг 1 июля 1954 года во всех газетах Советского Союза было опубликовано следующее сообщение Совета Министров СССР:

«О ПУСКЕ В СССР ПЕРВОЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ НА АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ

В настоящее время в Советском Союзе усилиями советских ученых и инженеров успешно завершены работы по проектированию и строительству первой промышленной электростанции на атомной энергии полезной мощностью в 5000 киловатт.

27 июня 1954 года атомная электростанция была пущена в эксплоатацию и дала электрический ток для промышленности и сельского хозяйства прилегающих районов.

Впервые промышленная турбина работает не за счет сжигания угля или других видов топлива, а за счет атомной энергии расщепления ядра атома урана.

Вводом в действие атомной электростанции сделан реальный шаг в деле мирного использования атомной энергии.

Советскими учеными и инженерами ведутся работы по созданию промышленной электростанции на атомной энергии мощностью 50—100 тысяч киловатт.

Первый атомный двигатель, работающий для нужд промышленности и сельского хозяйства, пущен! Его родина — Советский Союз».

Как же удалось ученым и инженерам обуздать атомную энергию?

Как работает атомный двигатель и каковы его перспективы? Достаточны ли, наконец, запасы «атомного горючего»?

 

Атомный котел и атомное горючее

Освободившаяся атомная энергия превращается в тепло. Значит, двигатель, превращающий это тепло в механическую работу, должен быть тепловым.

Но пока шла речь о паровых двигателях или о двигателях внутреннего сгорания, всё было понятно. В первом случае тепло выделялось вне цилиндра машины — в топке парового котла. Во втором случае тепло выделялось при сгорании топлива внутри цилиндра. Понятно и то, как, сжигая топливо, заставляют тепло работать и в газовой турбине и в реактивном двигателе…

Но как заставить работать двигатель на атомной энергии? Не взрывать же в каждом, цилиндре по атомной бомбочке?

Да, пожалуй, в поршневом двигателе внутреннего сгорания атомное горючее пока использовать трудно (хотя и такие предложения появляются). Но вот для турбин — паровых и газовых — техника уже знает пути применения атомного горючего.

Так, например, способ внешнего «сгорания» здесь оказывается вполне осуществимым.

Надо только вместо обычных паровых или воздушных (для газовых турбин) котлов построить специальные атомные-котлы. В этих котлах процесс выделения атомной энергии должен, конечно, идти медленно, без взрывов, так же, как при сгорании обычного топлива.

Начиная с 1942 года было построено несколько таких котлов, но только один из них — котел, установленный на первой в мире атомной электростанции в Советском Союзе, — был предназначен для промышленного использования.

Что же представляет собой такой котел? Вероятно, услышав название «котел», вы представили себе устройство, напоминающее паровые котлы?

Схема установки с атомным двигателем.

«Атомный котел», оказывается, вовсе не похож на такие котлы. Да и название «котел» можно отнести к нему лишь условно. Часто атомные котлы называют еще «реакторами». Представим себе круглое или квадратное бетонное здание без окон и дверей. Трудно подумать, что это котел. Глухая бетонная коробка. Наружу, сквозь бетон, выступают только несколько труб да какие-то стержни… Никакой топки с огнем, — тепло выделяется внутри такого котла без всякого огня.

Сердцевина «котла» представляет собой графитовый блок: ряд положенных друг на друга столбиком толстых графитовых плит. В плитах в определенном порядке просверлены отверстия, в которые вложены стержни из металлического урана.

Словно конфету, графитовый блок с урановой начинкой снаружи обертывают сначала тонким слоем металла бериллия, а затем очень толстым слоем бетона (от одного до пяти метров).

Вот и получается огромное сооружение. Первый реактор, построенный в 1942 году американцами, имел размеры 10х10х7 м, то есть занимал объем солидного двухэтажного дома.

Зачем же такое нагромождение?

Для того, чтобы понять назначение графита, бериллия, бетона и еще кое-каких частей «котла», о которых будет сказано дальше, вернемся к «критической массе» урана. Без такой массы нельзя выделить атомную энергию.

Итак, нам известно, что если изготовить килограммовый кусок урана, имеющего атомный вес 235 (изотоп U-235), то в таком куске окажется возможной цепная реакция и произойдет мгновенное выделение огромного количества тепла.

Но почему же так быстро произойдет деление такого большого количества ядер урана? Да потому, что вылетающие нейтроны обладают колоссальными скоростями — до 10–15 тысяч километров в секунду! Понятно, что в небольшом куске урана взметнувшийся и молниеносно нарастающий вихрь нейтронов в течение каких-то весьма малых долей секунды сделает свое дело — расщепит все встречные ядра.

А нужна ли для ядер урана-235 бомбардировка такими быстрыми нейтронами? Ведь эти ядра могут даже самопроизвольно распадаться… По-видимому, достаточно было бы получить от нейтрона и несравненно менее сильный толчок.

И действительно, ученым удалось установить, что как раз очень медленными нейтронами, двигающимися со скоростью всего лишь 3 километра в секунду, ядра урана-235 лучше всего расщепляются.

Ну, а раз так, то, значит, есть возможность замедлить и весь процесс выделения энергии в «критической массе», — надо только эту массу рассредоточить, проложив между кусочками урана какие-либо прокладки, пробираясь через которые нейтроны снижали бы свою скорость.

Правда, при этом необходимо обеспечить цепную реакцию, то есть принять меры, чтобы нейтроны не вылетали куда-либо наружу.

Вот так и возникла идея «атомного котла».

Графитный блок как раз и используется в качестве замедлителя нейтронов. Металлические стержни урана все вместе составляют «критическую массу» и распределены в блоке так, чтобы нейтроны, проходя через толщу графита, замедляли свою скорость. А бериллиевая оболочка нужна для того, чтобы отражать те нейтроны, которые, не встретив на своем пути ядер, стремятся вылететь наружу. Такой «отражатель нейтронов» позволяет уменьшить величину «критической массы».

Для чего же служит бетон?

Оказывается, что при делении урановых ядер образуется много радиоактивных осколков. Атомный котел всё время испускает радиоактивные лучи очень сильной интенсивности, вредной для людей. Бетонная стена и создает необходимую защиту, предохраняя обслуживающий персонал от вредоносных γ — лучей и нейтронов.

Но не может ли такой котел взорваться? А вдруг цепная реакция пойдет всё же быстрее, чем нам хотелось бы?

Ученые установили, что взрыва опасаться не следует, но разрушиться от очень высокой температуры котел может. На этот случай, кроме урановых стержней, в графитовый слой вставляется еще несколько стержней из металла кадмия. Кадмий жадно захватывает нейтроны и как бы тушит реакцию. Однако кадмиевые стержни должны вступать в действие только в опасные моменты, поэтому в нормальных условиях они выдвигаются из котла, а как только температура в котле начинает значительно расти, их вдвигают. С их помощью можно регулировать количество выделяемого тепла.

Да, но куда же девается это выделяющееся тепло? Ведь его-то как раз нам и нужно использовать?

Чтобы тепло отвести, через котел пропускают охлаждающую воду или какой-либо другой охладитель (газ, расплавленный металл). В котле, на котором работает первая в мире атомная электростанция Советского Союза, охлаждение производится водой, подающейся в каналы графитового блока под давлением. Под давлением эту воду подают для того, чтобы получить возможность ее нагревать до высокой температуры без превращения в пар и тем самым отводить больше тепла. Эта вода и является средством передачи тепла от котла к тепловому двигателю.

Но, прежде чем говорить о двигателе, поговорим подробнее об «атомном горючем», на котором работает котел.

До сих пор шла речь об одном только виде этого горючего — об изотопе урана с атомным весом 235. Из всех существующих на земле элементов только изотоп урана U-235 может делиться, создавая условия для цепной реакции. Однако этот изотоп хоть и существует, но добывается с большим трудом. Урановые руды содержат главным образом другой изотоп урана — с атомным весом 238 (U-238).

Каждый полученный из руды килограмм металлического урана заключает в себе 993 грамма U-238 и лишь 7 граммов U-235. Но главное не в том, что урана-235 очень мало; главное в том, что его трудно отделить от урана-238. Изотопы обладают одинаковыми химическими свойствами, и только очень незначительная разница в атомном весе различает их.

Значит, самым простым — химическим — способом отделить U-235 от U-238 нельзя. Единственный путь разделения, который сейчас признан техникой, это путь сортировки атомов.

«Как? — спросите вы. — Неужели можно каждый атом взвесить и положить то в одну, то в другую сортировочную ячейку?»

Разумеется, нет. Но можно поступить так, как поступают хозяйки, когда им требуется получить чистую от случайных примесей и однородного размола муку. Они берут сито и просеивают: мелкие частички муки проваливаются, а крупные задерживаются. Однако не следует думать, что металлический уран можно размолоть до такой степени, чтобы каждая крупинка представляла собой атом. Отделить атомы друг от друга можно, только превратив металл в газ. Для этого металл нагревают до такой степени, что он не только плавится, но и испаряется, так же как вода. А пар металла нагревают дальше, чтобы образовался легкий газ.

Когда такой газ получен, его прогоняют по трубам через целую серию пористых перегородок (сит), и каждая из таких перегородок, имеющих весьма маленькие поры, задерживает тяжелые атомы, пропуская лишь легкие. За последней перегородкой будет получен газ, в основном состоящий из сравнительно легких атомов урана-235. Теперь этот газ опять охлаждают до нормальной температуры, и в результате вновь образуется кусок металла, но уже состоящий из чистого изотопа 235. Надо сказать, что весь этот процесс получения U-235 очень сложный и дорогой. Стоимость урана U-235 очень высока. И если бы «атомный котел» пришлось заправлять таким дорогим горючим, вряд ли игра стоила бы свеч. Однако ученые нашли способ, при котором в котел можно закладывать обычный природный уран — смесь из U-238 и U-235, — и это значительно продвинуло вперед решение задачи.

Оказалось, что, при известном расчете, можно получить цепную реакцию урана-235 без его выделения из урана-238. Конечно, при этом «критическая масса» всего урана оказывается значительно больше килограмма, но зато как легко получить такое «топливо»! При этом, что совсем замечательно, можно так организовать работу котла, что «горючего», то есть делящегося материала, будет не убывать, а… прибавляться!

Не правда ли, чудеса? Где это видано, чтобы уголь, например, горел в топке не сгорая, а увеличиваясь количественно? С обычным топливом таких чудес не бывает, а вот с атомным… оказывается, нечто подобное возможно. Конечно, те ядра, которые разделились, уже не участвуют больше в реакции, но вместо одного выбывшего ядра, при известных условиях, может образоваться два новых, способных к делению ядра.

В чем же дело? Оказывается, что, если в ядро урана-238 попадает очень медленный нейтрон, он поглотится этим ядром. Образуется новый изотоп — уран-239. Изотоп этот нестойкий, из ядра выбрасывается электрон, отчего один из нейтронов становится протоном. Заряд ядра увеличивается на единицу, и появляется новый элемент, который назван «нептунием», с атомным весом 239 и зарядом 93 (Νρ-239), — это 93-й элемент таблицы Менделеева. Однако и этот элемент нестоек, — вскоре из ядра выбрасывается еще один электрон и заряд ядра возрастает до 94. Теперь, при том же атомном весе 239, появляется 94-й элемент, называемый «плутонием» (Рu-239). Этот элемент тоже радиоактивен и сравнительно стоек. Его время полураспада— двадцать четыре тысячи лет. Плутоний, так же как и уран-235, делится медленными нейтронами и потому может служить ядерным горючим.

Вот и выходит: есть способ организовать «горение» в атомном котле так, что взамен одного «сгорающего» топлива там будет образовываться другое топливо. Это новое топливо можно «сжигать» в этом же котле. Однако плутония можно получить больше, чем затрачено урана-235 — и тогда появляется возможность «размножать» топливо: отбирать из котла излишек и складывать на хранение, делать запас. Так создается еще один вид «атомного горючего».

Но наука обнаружила возможность таким же путем получить третий вид атомного горючего: уран-233. Под номером 90 в таблице Менделеева стоит металл торий (Th-232). Его запасы на земле в четыре раза превышают запасы урана. Если торий поместить в атомный котел, то, так же как U-238 превращается в Рu-239, так Th-232 превращается в U-233. А уран с атомным весом 233 обладает так же, как и уран-235, свойством делиться медленными нейтронами. Теперь становится ясно, что, при правильном расчете, атомный котел может работать с двойной пользой: и выделять нужную нам энергию и запасать новое топливо. Надо только обеспечить такую реакцию, при которой было бы достаточно свободных нейтронов.

Посмотрите на путь нейтронов в атомном котле.

Пути нейтронов в атомном котле.

Разделилось ядро. Один нейтрон попадает в ядро U-235 и способствует развитию цепной реакции. Другой нейтрон попадает в ядро U-238 и образует ядро плутония, а третий нейтрон вылетел. Вот вылетающих нейтронов должно быть как можно меньше.

Очень важное значение имеет замедлитель. Ведь почему в природных залежах урана не образуется цепной реакции? Да как раз потому, что уран в чистом виде в природе не содержится.

Встречается он только в виде соединений, а наличие посторонних ядер приводит к быстрому поглощению всех нейтронов. Цепная реакция оказывается невозможной.

Замедлитель в котле, рассчитанный определенным образом, лишь выполняет задачу создания медленных нейтронов. Котел, который был описан выше, имеет в качестве замедлителя графит — такой же, как в карандашах. Но могут быть и другие замедлители, например тяжелая вода (и даже обычная вода).

 

Что же такое атомный двигатель?

Итак, нам известно, как можно с помощью атомного котла получить тепло. Теперь познакомимся с тем, как это тепло можно превратить в механическую энергию. Посмотрите на схему установки с атомным двигателем. (Рисунок на стр. 192.)

Главную часть установки представляет собой уже знакомый нам атомный котел. Обратим внимание теперь не на внутреннее устройство этого котла, а на его связь с другими устройствами установки. От котла отходят две трубы. По нижней трубе с помощью специального насоса подается охлаждающая жидкость или газ. Проходя через котел, жидкость отбирает тепло и по верхней трубе попадает в другое очень важное устройство — теплообменник. Здесь горячая жидкость, проходя по змеевикам, отдает свое тепло воде, которая циркулирует вокруг змеевиков. Из змеевиков охладившаяся жидкость вновь попадает в насос и далее снова нагнетается в котел.

Вода же, которой охладитель котла передал тепло в теплообменнике, нагревается до парообразования. Таким образом, теплообменник, в сущности, является паровым котлом, где вместо горячих топочных газов по трубам циркулирует жидкость (или газ), несущая тепло от атомного котла.

Остальная часть схемы ничем не отличается от схемы, по которой работает обычная паровая турбина: пар из теплообменника поступает в турбину, отдает свою энергию, заставляет турбину вращаться и приводить в движение электрогенератор. Отработавший пар поступает в конденсатор, где он конденсируется, превращаясь в воду, а вода насосом вновь подается в теплообменник. Быть может, у вас возникает вопрос: зачем нужен теплообменник, нельзя ли заставить турбину работать паром, образующимся из той воды, которая подается непосредственно в атомный котел? Но не следует забывать двух обстоятельств: во-первых, на охлаждение атомного котла можно подавать не только воду, но и газ и жидкий металл — и это оказывается целесообразным, так как позволяет отводить из котла теплоноситель при более высокой температуре и более низких давлениях; а во-вторых, что особенно важно, «атомная вода» в реакторе обогащается радиоактивными частичками, и ее ни в коем случае нельзя пускать в свободное путешествие по трубам установки. Обратите внимание, что на рисунке не только атомный котел, но и теплообменник, и насос, и трубы, по которым циркулирует «атомная жидкость», заключены в бетонную защитную коробку. К ним доступ человеку закрыт, потому что здоровье человека не должно подвергаться испытанию радиоактивностью. Зато вода внешней циркуляции, не соприкасаясь с атомным котлом и не смешиваясь с «атомной водой», может свободно проходить по всем наружным трубам, поступать в турбину.

Но нельзя ли, однако, и самое турбину и генератор — всё замуровать в бетонный склеп, одни лишь провода вывести наружу? Можно, конечно, и так поступить, но что, если какая-либо из машин выйдет из строя? Как тут ее отремонтируешь, когда все части стали радиоактивными? А ведь если атомный котел и теплообменник не имеют подвижных частей (стержни безопасности можно не принимать в расчет), то в машинах все рабочие части подвижны и, значит, подвержены износам, могут поломаться.

Вот и выходит, что наиболее удачной надо признать схему установки с теплообменником.

Познакомившись со схемой атомной энергетической установки, вы вправе, конечно, спросить: а где же, собственно, атомный двигатель?

И впрямь, двигателем на установке является уже известная нам паровая турбина.

Может быть осуществлена и другая установка, где в качестве двигателя использовалась бы также уже известная нам газовая турбина внешнего сгорания.

Действительно, если через теплообменник прогонять не воду, а газ, то, будучи нагретым до высоких температур, он приведет в движение газовую турбину, которая в нашей схеме займет место паровой турбины.

Паровая турбина… Газовая турбина… Но где всё-таки атомный двигатель?

Выходит, что атомного двигателя, как какой-то особой машины, нет.

Есть известные нам современные тепловые двигатели — турбины, работающие на атомном тепле. «Атомный двигатель» обычно и представляют себе как установку вроде той, что описана выше. Надо добавить: «атомный двигатель» может работать и по реактивному принципу — нагретый атомным теплом газ можно выбрасывать из сопла и двигать, например, самолет.

Но было бы не всё сказано об атомном двигателе, если бы здесь не нашлось места для упоминания еще об одном интересном способе использования атомной энергии. На сей раз речь пойдет не о тепловых двигателях. Правда, этот способ еще далек от практического применения и отнюдь не может конкурировать с известным нам уже способом получения тепловой энергии с помощью реакторов; тем не менее, в нем содержатся любопытные возможности.

Ведь на установках с реакторами атомная энергия проходит несколько превращений: сначала в тепловую, затем в механическую (турбины) и, наконец, в электрическую (электрогенератор). А нельзя ли прямо из атомной энергии получить электрическую энергию? Оказывается, можно.

Сейчас учеными разработаны и построены уже маленькие батарейки атомных электроэлементов. Они напоминают аккумуляторные батарейки вроде батареек от карманного фонаря. Устроены же они следующим образом. В маленькую баночку опущен стержень, изолированный от стенок баночки. На стержень надета втулочка из радиоактивного изотопа. Стержень в этом случае оказывается одним электродом, а стенки баночки — другим.

Электрический ток образуется потому, что радиоактивный изотоп всё время испускает β-лучи, то есть поток электронов, который направлен к стенкам баночки. Если снаружи элемента цепь замкнута, например на лампочку, то непрерывное движение электронов по цепи (а электрический ток и есть упорядоченное движение электронов) зажжет эту лампочку.

Атомный электроэлемент.

Такие элементы пока еще маломощны, но целая батарея их уже может использоваться, скажем, в радиотехнике. Особое преимущество такой батареи в том, что она не требует перезарядки десятки лет.

Значит, не исключена возможность, что среди «атомных двигателей» будущего окажутся и не только тепловые, но и электрические энергоустановки, Однако эта перспектива еще далеко не ясна, в то время как установки с «атомными котлами» являются уже установками сегодняшнего дня. Ученые и инженеры всех стран разрабатывают такие установки для применения их на электростанциях, в мореплавании, авиации и транспорте.

О некоторых из таких применений, которые уже стали реальной технической задачей мы и поговорим.

 

Первая в мире

Посреди самого обычного леса, наполненного щебетанием птиц и шепотом листьев, стоит это белое, сверкающее в лучах солнца здание — здание, у входа в которое висит скромная дощечка с надписью: «Академия наук СССР. Атомная электростанция».

И, несмотря на то, что в царство пернатых вторглась техника, ничто не омрачает их беззаботную жизнь. Белое здание не дымит — воздух леса по-прежнему свеж. К белому зданию не тянутся линии железных дорог — паровозные гудки не тревожат лесных жителей. Возле белого здания нет угольных насыпей, нет холмов из гари и золы, — ветер не разносит черную пыль, не одевает нежную листву в траурный наряд. И всё потому, что в белом здании размещается не обычная тепловая электростанция, а электростанция, работающая на атомной энергии.

Дым? Но откуда же ему взяться? Ведь ядерное «горючее» «горит» без огня и дыма.

Железная дорога? Но даже если бы она была, то что, собственно, подвозить к атомной электростанции, если загрузка «атомного горючего» в котел производится только 3–4 раза в год, примерно через каждые 100 дней?

Каких-нибудь 100–200 килограммов урана, потребных к очередной загрузке для замены разрушившихся стержней, можно доставить не только на грузовике, но даже и на легковой автомашине. А ведь уголь пришлось бы непрерывно подвозить тоннами.

Первая в мире атомная электростанция Академии наук СССР, развивая мощность в 5000 киловатт, потребляет в сутки всего 30 граммов урана.

Первая в мире атомная электростанция Академии наук СССР.

А угольная электростанция той же мощности потребляла бы за то же время 70–80 тонн угля.

Быть может, кто-нибудь из любителей арифметики, подсчитав расход урана за 100 суток работы и определив его лишь в размере 3 килограммов, окажется в недоумении: почему через 100 дней приходится загружать в котел значительно больше урана? Да потому, что урановые стержни, долго пробывшие в котле, несколько портятся, разрушаются и, хотя они еще не «сгорели», то есть не превратились в продукты деления, их приходится заменять новыми.

Но познакомимся несколько подробнее с первой в мире промышленной электростанцией, работающей на атомной энергии. Познакомимся с устройством и работой первой атомной электрической установки, первого «атомного двигателя», разработанного и построенного советскими учеными и инженерами.

Атомный котел (реактор) первой в мире атомной электростанции Академии наук СССР.

Внутри белого здания размещены все агрегаты электростанции. Главным из этих агрегатов является, конечно, атомный котел, или реактор. В круглом графитовом блоке определенным образом размещаются 128 стержней из урана-238. Общий вес загрузки реактора — 550 килограммов. Надо заметить, что природный уран для реактора несколько обогащается ураном-235, содержание которого доводится до 5 %. Стержни заранее закладываются в особые графитовые футляры, внутренняя стенка которых выложена стальной тонкостенной трубой.

Такой «футляр» вместе со стержнем вставляется в вертикальное сверление, идущее сверху вниз вдоль графитового блока. Стальная труба сверху и снизу соединяется с особыми резервуарами — водосборниками. Через водосборники и трубы подается охлаждающая вода под давлением в 100 атмосфер.

Если вода при обычном атмосферном давлении закипает при 100 °C, то под давлением в 100 атмосфер воду можно нагревать более чем до 300 °C.

В реакторе охлаждающая вода нагревается до 270 °C и несет тепло в теплообменники. Здесь по трубам второго контура циркуляции проходит «рабочая» вода, нагнетаемая насосами под давлением в 12,5 атмосферы. Это давление позволяет воде нагреваться в теплообменнике до 200 °C и превращаться в пар. Пар, продолжая далее соприкасаться с трубами «атомной» воды первого контура, перегревается до температуры 260 °C. Затем пар поступает в турбину и далее, по известной уже нам схеме, конденсируется, превращаясь в воду.

Реактор сверху и с боков защищен графитом, бетоном, водой, сталью. Вокруг графитового блока идет водяная стена толщиной в 1 метр и далее — бетонная стена толщиной в 3 метра.

Советские инженеры сделали всё необходимое, чтобы обеспечить безопасность людей, работающих на станции.

Кроме толстых стен вокруг реактора, все переходы, по которым люди должны приближаться к установке, сделаны в виде зигзагообразных коридорчиков. Это необходимо для того, чтобы прямые излучения не распространялись далеко.

Над реакторами помещается главный зал атомной электростанции. Это пустой зал. Круглая стальная плита — крышка — закрывает люк, через который может быть осуществлен доступ к реактору.

На рисунке видно, как человек в белом халате стоит возле легкой ограды, окружающей реактор. Но не всегда человек может здесь стоять. Может оказаться, что бурная реакция в котле вызовет проникновение радиоактивных излучений даже через защиту. Тогда вспыхнут специальные красные сигнальные лампы и зазвучат звуковые сигналы. Это и будет означать опасность: людям надо спешно покидать зал.

Но в этом зале людям, собственно, и делать нечего. Всю работу по обслуживанию котла (вдвигание стержней безопасности — здесь они, кстати, сделаны из карбида бора, — смена урановых стержней) выполняют механизмы.

Управление этими механизмами ведется на расстоянии, а наблюдение за тем, как они работают, производится через иллюминаторы со специальными толстыми стеклами.

Управление не только этими работами, но и всеми операциями по обслуживанию станции здесь ведется дистанционно, с центрального пульта.

Пульт управления атомной электростанцией Академии наук СССР.

Десятки чувствительных, «умных» приборов позволяют двум дежурным инженерам, не сходя со своего места, наблюдать за жизнью всей станции и, если надо, управлять тем или иным механизмом.

А механизмов здесь не так-то мало. Вот, например, зал насосов. Для того, чтобы нагнетать «атомную» и «рабочую» воду, требуется целая система насосных агрегатов. А ведь есть еще и главные машины: турбина и электрический генератор. Кроме того, есть электромоторы, связанные со стержнями безопасности — вдвигающие и выдвигающие их, — и ряд других механизмов.

Зал насосов атомной электростанции Академии наук СССР.

* * *

О первой в мире атомной электростанции советские ученые рассказали ученым всех стран на Международной конференции по мирному использованию атомной энергии, которая происходила в городе Женеве в августе 1955 года. Атомной электростанции был посвящен специальный кинофильм, который назывался «Первая в мире». В Советском павильоне выставки была представлена модель, воспроизводящая реактор атомной электростанции Академии наук СССР.

Сообщение советских ученых, их откровенный рассказ о своих научных достижениях доказали всему миру, что советская наука далеко шагнула в деле мирного использования атомной энергии, что советские ученые не собираются делать секреты из своих достижений, а хотят способствовать широкому научному наступлению на тайны атома фронтом ученых всех стран. Недаром даже в такой американской газете, как «Нью-Йорк Таймс», которая не отличается особыми симпатиями к Советскому Союзу, было написано:

«Как все и ожидали, внимание привлекает главным образом та роль, которую русские играют в Женеве. Их поведение полностью отвечает духу конференции, и они подробно описывают устройство своей электростанции мощностью в 5 тысяч киловатт, которая успешно производит электроэнергию в течение года с лишним, являясь первой атомной электростанцией за всю историю»

В те же дни одна датская газета писала: «Есть серьезные основания полагать, что атомный век придет в Советский Союз довольно скоро».

Первая в мире атомная электростанция — это первенец энергетики атомного века. Необъятные просторы нашей страны, населенные советскими людьми, строящими новое, коммунистическое общество, нуждаются в широкой сети энергетических установок. Наряду с мощными гидроэлектростанциями, нашей стране нужны станции тепловые, снабжающие электроэнергией районы, удаленные от крупных рек. До сих пор тепловые электростанции строятся на угольном или торфяном топливе. Подвоз этого топлива представляет сложную задачу, — слишком много потребляют паровые двигатели угля и торфа. Поэтому тундры, степные просторы, тайга, крайний север остаются еще лишенными энергии, — сюда доставлять топливо трудно. Какие же колоссальные возможности откроются для освоения и этих районов, когда там заработают атомные электростанции! Ведь для годовой работы такой электростанции окажутся достаточными два-три рейса транспортного самолета.

А когда «атомного горючего» будет достаточно и можно будет все существующие теплоэлектростанции перевести на атомную энергию, то как много полезных продуктов человечество сможет получить из нефти и угля путем химической переработки! Атомные электростанции можно будет строить и под землей, — им не нужен воздух. Воздух городов очистится от дыма и гари.

Советские ученые и инженеры продолжают успешно работать над развитием атомной энергетики.

XX съезд Коммунистической партии Советского Союза в своих директивах по шестому пятилетнему плану наметил уже в ближайшие годы развернуть широкий фронт работ по строительству атомных электростанций. К 1960 году 2–2,5 миллиона киловатт электроэнергии страна наша будет получать от атомных двигателей. Это равносильно строительству еще одной Куйбышевской гидростанции. Однако, как уже говорилось выше, атомные электростанции должны прежде всего утолить энергетический голод тех районов, где гидростанции строить нельзя, а обычные тепловые станции строить трудно из-за плохих или очень дальних путей подвоза топлива. Поэтому в текущем пятилетии намечено, например, построить две атомные электростанции с общей мощностью в один миллион киловатт в районах Урала и две большие станции в Москве и Ленинграде.

Итак, от 5 тысяч киловатт в 1954 году до 2,5 миллиона киловатт в 1960 году — таков тот скачок, который должна проделать советская атомная энергетика за несколько лет.

Развивается атомная энергетика и в других странах. В Англии идут работы по пуску электростанции на 60 тысяч киловатт, разрабатывается ряд проектов атомных электростанций и в США и во Франции.

Атомный двигатель с урановым котлом, вырабатывающий электроэнергию, становится двигателем наших дней. Еще много, конечно, придется вложить ученым и инженерам труда, умения, знаний, чтобы сделать его таким же совершенным и привычным, как другие двигатели, но и это время не за горами.

Много предстоит сделать ученым и инженерам для овладения еще более перспективным атомным двигателем, использующим не урановый котел, а какой-то источник тепла в виде «искусственного солнца». Научиться управлять термоядерными реакциями, поставить на службу человеку и те неиссякаемые запасы энергии, которые беспрестанно питают Солнце, — над этим упорно работают наши советские ученые.

 

Двигатель дальних плаваний

…От причалов Ленинградского порта отошел большой океанский корабль. Длинный путь лежит впереди — Балтийское море, Северное море, Атлантический океан, Средиземное море, Красное море, Аравийское море, Индийский океан, Южное и Восточное Китайские моря… Порт назначения — Шанхай.

Советский Союз посылает братскому Китаю машины. Много-машин, все трюмы заставлены огромными ящиками.

Корабль отошел, но провожавшие его представители различных ленинградских организаций не расходятся.

— Вы знаете, — в трюмах только груз, нет совершенно угля, — слышится рассказ счастливчика, побывавшего на борту корабля. — И дыма никакого…

— Что, трубы-то у него для декорации, что ли? — замечает и одновременно спрашивает другой.

— Но самое интересное, ведь он не будет заходить ни в один промежуточный порт! — восторженно восклицает третий.

Так, вероятно, очень скоро случится. Вы уже догадываетесь, — речь идет о проводах корабля с атомным двигателем. Пока еще такой корабль не строится. Но разве в недалеком будущем не должны занять «атомные корабли» преимущественного места? Ведь, действительно, как это удобно: трюмы высвобождаются для полезных грузов, продолжительность рейсов сокращается, заходы в промежуточные порты для погрузки топлива становятся ненужными. Свыше двадцати тысяч километров — путь от Ленинграда до Шанхая. Несколько раз приходится заходить сейчас пароходам в промежуточные порты. А на «атомном топливе» открыт прямой путь — от порта отправления до порта назначения.

Над атомными кораблями в шестой пятилетке советские инженеры будут много работать. Уже начато проектирование атомного ледокола. Это будет первенец советского атомного кораблестроения.

Модель строящегося в СССР атомного ледокола. Схематично показано, как будет размещена атомная установка: 1 — атомный котел, 2 — теплообменник, 3 — паровая турбина, 4 — электрогенератор, 5 — насос, 6 — биологическая защита.

Корабль нового типа, он позволит по-новому организовать плавание наших судов по широким просторам полярных морей. Сбывается мечта знаменитого русского мореплавателя адмирала С. О. Макарова, — скоро можно будет на мощном ледоколе достигнуть Северного полюса.

Атомный ледокол будет превосходить обычные ледоколы по мощности своих двигателей в полтора-два раза. Эта мощность будет равна сорока четырем тысячам лошадиных сил.

Двигатель атомного ледокола будет работать почти так же, как и двигатель атомной электростанции. Установка будет, конечно, громоздкая, тяжелая, — ведь надо защитить экипаж от радиоактивности. Но для защиты частично будет использована вода, окружающая нижнюю часть корпуса ледокола.

Однако, несмотря на громоздкость атомной установки, этот ледокол может брать больше полезного груза, чем обычный. Ведь запасы топлива почти не занимают места. На обычных ледоколах до 30 % полезного объема судна занято топливом. В одни сутки эти ледоколы потребляют свыше ста тонн горючего. За счет облегчения веса топлива атомный ледокол может быть сделан с более прочным корпусом — ломать более толстые льды; он может уходить в плавание на два-три года, не нуждаясь в пополнении горючим, запасаясь лишь большим количеством продуктов питания.

Новый корабль будет управляться дистанционно с капитанского мостика. Он будет послушным и мощным судном. На этом первом атомном судне будет получен разносторонний опыт для строительства атомных судов другого назначения.

Если в Советском Союзе первые атомные суда будут предназначены для мирных целей, то в Америке, под нажимом агрессивной военщины, уже ряд лет ведутся работы над созданием атомного двигателя для подводной лодки. Американские адмиралы считают, что можно затратить огромные средства, почерпнутые из трудовых копеек налогоплательщиков, лишь бы оказаться первыми обладателями атомного подводного корабля.

И вот, в то время, как советские ученые успешно создавали свой первый атомный двигатель для мирных целей, в Америке началось строительство подводной лодки «Наутилус», рассчитанной на установку атомного реактора.

По расчетам, подводная лодка «Наутилус» должна проходить под водой, не всплывая наверх, до 55 000 километров. Иными словами, если бы подобная атомная лодка могла проплыть вокруг земного шара, этот путь она проделала бы под водой не всплывая и при этом сохранила бы запас энергии еще почти на половину такого пути. В этом долгом подводном плавании и состоит преимущество атомной подводной лодки. На подводной лодке «Наутилус» должен быть установлен атомный графито-урановый реактор с охлаждением водой под давлением. Далее, по знакомой уже нам схеме, будет приводиться в движение паровая турбина.

Силовая установка лодки пока находится еще на суше, — испытывается в особой лаборатории.

Итак, атомный двигатель является единственным типом двигателей, с помощью которого можно совершить длительное плавание и, что особенно важно, длительное плавание под водой.

Схема атомной подводной лодки: 1 — кормовой жилой отсек; 2 — машинное отделение; 3 — атомный котел; 4 — главный командный пункт; 5 — мостик; 6 — помещение для перископа; 7 — каюта командира; 8—офицерская кают-компания; 9 — камбуз; 10 — носовой жилой отсек; 11 — носовое отделение торпедных аппаратов; 12 — пост управления кораблем; 13 — столовая команды; 14 — аккумуляторная батарея; 15 — кладовые.

 

Двигатель космических рейсов

В этой книге много говорилось о двигателе межпланетных сообщений. Но разговор этот теперь может быть вновь продолжен.

Начнем его с одной любопытной научной гипотезы.

На заре нашего века, в одну из ночей 1908 года, жители таежного района Подкаменной Тунгуски были взбудоражены сильным взрывом и последовавшим за ним сотрясением земной коры. Где-то в глубине тайги взмыл вверх ослепительный огненный шар, превратившийся потом в серебристые облака, долго еще блуждавшие над тайгой, освещая ночью окрестности бледными мерцающими лучами.

Суеверные эвенки были убеждены, что туда, в таежную глушь, спускался с небес бог Оглы. Те смельчаки, которые пытались приблизиться к этим местам, сжигались богом Оглы с помощью невидимого огня.

Ученые, зарегистрировавшие взрыв и сотрясение почвы на своих чувствительных приборах, решили, что они вызваны падением гигантского метеорита.

Однако царское правительство не хотело тратить средства на научные исследования метеорита — и долгое время в районе Подкаменной Тунгуски ученые не появлялись.

Только в годы советской власти была снаряжена экспедиция во главе с профессором Л. А. Куликом по отысканию Тунгусского метеорита.

Профессор Кулик и его товарищи с большим трудом пробирались через тайгу. Самоотверженно прокладывая себе путь, ученые, полные нетерпения и решимости, приближались к цели своей экспедиции. Им казалось, что вот-вот откроется обширная площадь с вырванными деревьями и глубоким кратером посредине.

Каково же было их удивление, когда, достигнув центра взрыва, они не обнаружили даже следов какой-либо воронки — кратера. Наоборот, в центре стояли, как столбы, голые стволы деревьев — без веток и верхушек, а по окружности деревья оказались поваленными веером, корнями к центру. Казалось совершенно непонятным, — куда же подевались остатки небесного каменного гостя? Были произведены раскопки, но на глубине двух метров обнаружился нетронутый, толстый слой вечной мерзлоты. Следовательно, и в землю не могли уйти осколки метеорита. Осталось предположить только одно: метеорит взорвался и весь до основания сгорел еще в воздухе.

Долгое время было, однако, непонятным, какая энергия могла вызвать этот взрыв. Ведь при падении с огромной космической скоростью удар о землю, при котором кинетическая энергия превращается в тепловую, и мог быть причиной взрыва… Но в воздухе ведь никакого удара быть не могло?

И вот, после того, как над городом Хиросима произошел почти такой же взрыв с таким же ослепительным огненным шаром и с такими же радиоактивными облаками, появилась у некоторых ученых мысль о том, — не был ли взрыв Тунгусского метеорита атомным взрывом?

А вслед за этой мыслью появилась новая: быть может, не обычный метеорит, а межпланетный снаряд, летевший на атомном горючем, например с Марса, вторгся в земную атмосферу. Возможно, раскалившаяся в полете оболочка расплавилась и «подожгла» атомное «горючее»?

Сторонники этой гипотезы рассчитали, что именно в 1908 году такой межпланетный корабль мог после временной остановки на планете Венере наилучшим образом перелететь на Землю с Марса, так как в этом году расстояние между Землей и Венерой было наикратчайшим.

Еще нельзя сказать, правы или ошибаются сторонники столь интересной гипотезы, но будущее межпланетных кораблей, которые должны подняться с Земли, всё чаще и чаще связывается с атомной энергией.

Ведь если удалось бы заставить ракету лететь на атомной энергии, — разве это был бы не наилучший двигатель для космических рейсов?

Главным препятствием в постройке межпланетного корабля является необходимость больших запасов горючего. Но ведь атомное «горючее» самое экономное, — его-то потребуется совсем мало.

Другим препятствием является необходимость перевозки, кроме топлива, еще и окислителя. Но для «атомного горючего» окислителя не надо.

Однако создать атомную ракету пока не так-то просто.

Предлагается много разных проектов, но ни один из них еще не кажется вполне осуществимым.

Так, например, есть предложение построить атомную ракету с реактором. Это значит, что в ракете будет сооружен атомный котел. Здесь будет выделяться большое количество тепла. Но откуда возьмется газ, который должен с большой скоростью вытекать из реактивного сопла? С этой целью предлагается запастись сжатым газом или водой. Вода занимает меньше места, а водяной пар, нагретый до очень высоких температур, ничем не отличается от газа. Он будет вытекать из сопла с большой скоростью.

Космический атомный корабль будущего.

Однако в этом проекте есть много недостатков: во-первых, всё равно необходимо запасаться газом или водой. Правда, не надо брать окислитель, но зато вес атомного реактора и защиты к нему не так уж мал.

Во-вторых, — и это самое главное — ведь в камере реактивного двигателя газ должен быть нагрет до возможно более высокой температуры. А материалы атомных реакторов не позволяют очень высоких нагревов. Кроме того, и время на передачу тепла от реактора к газам отводится очень малое, — значит, температура газовой струи перед соплом будет низкая и термодинамический коэффициент полезного действия такого двигателя будет тоже низким.

Есть и такое предложение.

В обычной ракете с химическим топливом удается уже тетерь получать температуру сгорания порядка 3000 °C. Стенки камер таких ракет специальным образом охлаждаются и выдерживают подобный режим работы двигателя. Используя атомное горючее, предлагается подавать в камеру сгорания обогащенный уран, например в виде порошка, вместе с рабочим телом. В камере начнется цепная реакция, быстро нагревающая содержимое до температур порядка 4000–5000 градусов.

Если бы удалось практически организовать так работу атомного ракетного двигателя, вероятно, это было бы более правильным решением, чем предыдущее.

А вот если бы удалось, наконец, овладеть термоядерной реакцией, удалось научиться управлять ею, получать нужную температуру и скорость этой реакции, — вот тогда вопрос с двигателем для межпланетных кораблей был бы окончательно решен. Было бы, наконец, найдено необходимое «концентрированное» топливо. Ведь эта реакция будет совершаться при большой температуре прямо в камере сгорания, а не в реакторе. Здесь также не потребуется специальных окислителей. В качестве «горючего» будет использован газ, и в результате реакции тоже получится газ, который, вытекая через реактивное сопло, создает также реактивную силу тяги. А если к тому же вести испарение воды, то можно будет получить любой мощности двигатель.

Ученые работают и над ракетами, где бы прямо использовалась кинетическая энергия осколков делящихся атомных частиц. Ведь они разлетаются с большими скоростями. Однако и здесь много сложных задач: осколки надо направить в нужную сторону, надо иметь много таких осколков по весу и т. д. Пока такие ракетные двигатели, как выясняется, не могут развивать больших усилий тяги. Эти ракеты даже получили название «псевдоракет», то есть ложных ракет.

Итак, двигатель будущего межпланетного корабля — это атомный двигатель. Но он пока не создан — впереди предстоит решить много важных технических задач.

Современное ракетоплавание еще опирается на обычные ракетные двигатели с химическим топливом. Однако сейчас уже проектируются реактивные атомные самолеты, которые позволят накопить опыт использования атомной энергии в летательных аппаратах.

Схема атомного реактивного самолета.

 

Энергия будущего

Атомные электростанции, атомные корабли, атомные ракеты…

Атомные двигатели скоро займут свое место и на самолетах и на железнодорожных локомотивах. Пока еще атомные установки получаются громоздкими, и это затрудняет их применение. Вот возьмем, например, автомобиль.

Для того, чтобы обернуться четыре раза вокруг земного шара, автомобилю потребовался бы лишь небольшой кусочек атомного горючего, размером с грецкий орех. Но вся беда в том, что, расходуя маленькую порцию топлива, автомобиль должен будет возить с собой весь огромный атомный котел со всей заправкой. А ведь вокруг котла должна быть толстая защитная стена.

Если предположить, что для автомобиля можно использовать чистый уран-235, то и тогда вес энергетической установки будет равняться нескольким тоннам. А современные автомобильные двигатели внутреннего сгорания обычно весят не больше 300–400 килограммов.

Но если сегодня говорить об атомном двигателе на автомобиле еще рано, то скоро настанет и завтрашний день атомной энергетики. А ведь в этом завтрашнем дне обязательно появятся и атомные автомобили, и атомные самолеты, и атомные плавильные печи, и много других атомных энергетических установок… Это неизбежно не только потому, что атомные котлы начали успешно конкурировать с другими тепловыми источниками, но и потому, что запасы современного топлива крайне ограничены.

Геологи подсчитали, что при существующих темпах расходования нефти и каменного угля, человечество сможет располагать этим топливом еще каких-нибудь 200–400 лет — и только.

А ведь потребление энергии всё растет и растет. Подсчитано, что во всем мире (без СССР) за десять лет потребность в энергии удваивается. Если бы не атомная энергия, плохо пришлось бы жителям двадцать пятого века.

Но атомная энергия неисчерпаема. Если на всё будущее время сохранился бы уран как основное атомное топливо, то и в этом случае при нынешнем уровне потребления энергии геологи гарантируют человечеству десять тысяч лет спокойной жизни, без мысли об «энергетическом голоде», — таковы мировые запасы урана, который в прошлом добывался в очень малых количествах и шел преимущественно на получение красок. Но мы уже знаем, что «атомное горючее» можно накапливать.

Однако наука не считает, что существующие способы использования атомной энергии останутся неизменными на много лет. Ведь в урановом котле извлекается только 0,1 % той энергии, которой располагает атомное ядро урана. Иными словами, если говорить о коэффициенте полезного действия не тепловом, а атомном, то в урановом котле он равен мизерной величине — 0,001.

Дело в том, что здесь используется только та энергия, которая высвобождается при делении ядра урана на два осколка. Если бы удалось использовать не кинетическую энергию двух осколков, а энергию всех частиц ядра, — тогда-то человек и получил бы в свое распоряжение полную мощь атома.

Заметим, что и другой из известных пока способов получения атомной энергии — с помощью термоядерных реакций — тоже не намного эффективнее цепной урановой реакции, — здесь извлекается 0,5 % атомной энергии.

Наука будущего найдет и другие, более эффективные способы получения и использования атомной энергии, как наука прошлого нашла пути использования тепла не на 3–4 % (вспомним первые паровые машины), а на 40–45 % (в лучших современных дизелях) и даже на 70–80 % (в комбинированных теплосиловых установках, где отходящее тепло используется на нужды обогрева жилых зданий и так далее).

Наука будущего постигнет тайну атома до конца, и тогда человечество получит безграничный источник энергии. Как неугасимо солнце, так неиссякаем и запас атомной энергии в окружающем нас мире.

И если уже сейчас из какого-нибудь куска урана можно извлечь в два миллиона раз больше энергии, чем из такого же куска угля, если уже сейчас всего 70 килограммов урана-235 заменят годовую работу такой мощной гидроэлектростанции, как Днепрогэс, то какие энергетические возможности откроются в самом недалеком будущем!

Наука развивается бурно. Не за горами то время, когда человек научится добывать атомную энергию не только из урана но и… из простого булыжника, из многих окружающих нас веществ. Тогда наступит изобилие энергии.

Вот почему атомная энергия — основной вид энергии будущего. Еще долго будет служить человечеству и неиссякаемая гидроэнергия и беспредельная энергия ветра. Но все тепловые двигатели на земле, на воде и в воздухе будут со временем работать на «атомном топливе».

И, может быть, научившись превращать атомную энергию непосредственно в энергию электрическую, человечество и вовсе откажется от тепловых двигателей, заменив их атомно-электрическими.