Физические основы получения атомной энергии [Виктор Александрович Михайлов] (fb2) читать онлайн

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ

ВВЕДЕНИЕ

Энергия — это мера физического движения материи во всех ее формах. Соответственно многообразию форм движения материи, имеющихся в природе, существуют различные формы или виды энергии: механическая, тепловая, химическая, электрическая и т. д.

Во всех бесконечно разнообразных явлениях природы энергия не создается и не исчезает, а лишь превращается из одной формы в другую в полном соответствии с законом сохранения и превращения энергии. При горении каменного угля, нефти или газа скрытая химическая энергия топлива переходит в тепловую и световую энергию.

При работе гидроэлектростанции механическая энергия движущейся воды превращается в электрическую энергию, которая с помощью проводов передается в города и села за сотни километров. На месте потребления, то есть на фабриках и заводах, в колхозах и совхозах, в жилых домах и учреждениях электрическая энергия превращается в тепло, свет и другие виды энергии, совершая нужную нам работу.

Энергия играет большую роль во всей нашей жизни, она нужна в быту и на производстве. Без увеличения выработки и потребления энергии невозможно развитие промышленности, сельского хозяйства, науки и культуры. Вот почему открытие новых источников энергии и способов ее использования, выявляя новые возможности для развития производительных сил, всегда способствовало прогрессу человеческого общества.

Изобретение И. Ползуновым, а затем Д. Уаттом универсальной паровой машины, способной в любое время и в любом месте превращать химическую энергию топлива в механическое движение, явилось началом промышленной революции, означавшей коренной перелом в развитии человеческого общества. Благодаря применению паровой машины энергия топлива получила широкое распространение в промышленности и на транспорте, обеспечивая их развитие. Затем на помощь паровой машине пришел двигатель внутреннего сгорания. Наконец во второй половине XIX столетия потребности развивающегося общества привели к овладению наиболее универсальной формой энергии — электрической энергией.

Непрерывно расширяющееся применение электрической энергии является характерной чертой современного производства. Электрическую энергию можно производить, используя энергию воды и ветра, сжигая малоценные сорта топлива на месте потребления, а затем передавая ее по проводам к месту потребления. Огромное значение придавал электричеству великий Ленин, рассматривавший электрификацию страны как техническую базу коммунизма: «Коммунизм — это есть Советская власть плюс электрификация всей страны». Под электрификацией В. И. Ленин понимал не изолированное построение отдельных электростанций, а постепенный перевод хозяйства страны, в том числе и земледелия, на новую техническую базу, на техническую базу современного крупного производства. По инициативе В. И. Ленина был составлен Государственный план электрификации России (план ГОЭЛРО), который давно уже перевыполнен. Большая программа дальнейшей электрификации страны в соответствии с директивами XX съезда КПСС выполняется в настоящее время: общая мощность тепловых электростанций в шестой пятилетке вырастет в 2,2 раза, а мощность гидроэлектростанций — в 2,7 раза.

Развитие человеческого общества характеризуется непрерывно растущим потреблением энергии. За последние сто лет мир использовал количество энергии, равное примерно половине того, которое было потреблено человечеством в течение первых восемнадцати столетий нашей эры. На протяжении последних десятилетий наблюдается дальнейший рост производства и потребления энергии.

Статистика показывает, что производство энергии в СССР и в других странах социалистического лагеря растет гораздо быстрее, чем в странах капитализма. К концу XX столетия производство и потребление энергии в странах социализма должно вырасти по сравнению с настоящим временем примерно в 100 раз.

По данным Международной научно-технической конференции, состоявшейся в августе 1955 г. в Женеве, ежегодное производство и потребление энергии на Земле должно к 2000 г. вырасти в среднем в 8 раз. Учитывая неизбежность кризисов и экономических потрясений в странах капитала, можно предполагать, что потребление энергии в этих странах увеличится за это время примерно в 3 раза.

Основным источником энергии в настоящее время служит топливо — уголь, нефть, торф и природный газ, за счет которого покрывается около 80% мировой потребности энергии. Только 1,5% всей потребности в энергии удовлетворяется гидроэлектростанциями. Производство гидроэлектроэнергии значительно возрастет к 2000 г., но все же составит не более 15% всей потребности. Если же рост потребности в энергии удовлетворять за счет топлива, то потребуется ежегодно сжигать 7–8 млрд. т каменного угля или соответственно 4–5 млрд. т жидкого топлива. Огромное все возрастающее количество нефтепродуктов поглощают современные вооруженные силы. Эшелон железнодорожных цистерн горючего требуется для того, чтобы обеспечить боевой вылет одной авиационной дивизии реактивных бомбардировщиков.

Перед многими странами уже сейчас реально встает угроза истощения их топливных ресурсов и возникает проблема — найти и использовать новый источник энергии, способный заменить непрерывно уменьшающиеся запасы каменного угля, нефти, газа и других горючих материалов.

И такой источник был найден в результате научных исследований, проведенных в последние десятилетия учеными многих стран. Новым необычайно мощным источником энергии оказались атомы — мельчайшие частицы вещества, в ядрах которых скрыты огромные запасы энергии. Энергия, которая освобождается в результате превращений, происходящих с ядрами атомов, получила название атомной энергии. Правильнее называть ее ядерной.

Источником почти всех видов энергии на Земле является, как известно, Солнце; за каждые пять дней оно излучает на Землю больше энергии, чем ее содержится во всех запасах угля и нефти. Солнечная энергия, по данным современной физики, обусловлена ядерной энергией, выделяющейся на Солнце. Оказалось, таким образом, что источником жизни на Земле является в конечном счете ядерная энергия.

Открытие ядерной энергии и способов ее производства и использования — одно из величайших научных достижений нашего времени, в подготовке которого большую роль сыграла и наша отечественная наука.

Запасы атомного, или ядерного, горючего в окружающей нас природе практически безграничны. К тому же ядерное горючее обладает необычайно высокой теплотворной способностью. Один килограмм такого ядерного горючего, как уран, может дать при существующем уровне развития атомной энергетики около 21 млрд. ккал ядерной энергии, что в 3 млн. раз больше химической энергии, получаемой при сжигании килограмма хорошего каменного угля (7000 ккал). Стоимость ядерной энергии с каждым годом уменьшается.

Вот почему использование ядерной энергии, устраняя угрозу энергетического голода, безгранично расширяет власть человека над стихийными силами природы, открывает перед человечеством колоссальные возможности роста производительных сил, технического и культурного прогресса, увеличения общественного богатства.

Однако в странах с различным общественным и государственным строем огромные возможности, открываемые ядерной энергией, используются по-разному.

В Советском Союзе ядерная энергия используется в интересах народа, она служит делу строительства коммунизма и укрепления обороноспособности нашей Родины.

В СССР построена и с июня 1954 г. успешно работает первая в мире промышленная атомная электростанция мощностью 5 тыс. квт. Шестым пятилетним планом предусматривается строительство в течение 1956–1960 гг. больших атомных электростанций общей мощностью в 2–2,5 млн. квт.

Несмотря на то, что постройка этих станций носит еще опытный характер, мощность их превзойдет в 2 с лишним раза мощность всех электростанций царской России.

Производство электрической энергии на атомных электростанциях является одним из главных путей мирного использования ядерной энергии, но наряду с этим имеются и другие пути.

В СССР спущен на воду ледокол «Ленин» с атомной силовой установкой мощностью в 44 тыс. л. с.; развертываются работы по атомным силовым установкам для других кораблей и для воздушного и сухопутного транспорта; широко применяются в промышленности, сельском хозяйстве и науке радиоактивные вещества и излучения.

По использованию ядерной энергии в мирных целях Советский Союз идет впереди других стран, что убедительно было продемонстрировано всему миру на состоявшихся летом 1955 г. сессии Академии наук СССР в Москве и Международной научно-технической конференции в Женеве. Колоссальные возможности, открытые ядерной энергией, превращаются в условиях социалистического строя в действительность.

Верное политике укрепления мира и дружбы между народами, Советское государство выступает за широкое международное сотрудничество в области использования ядерной энергии в мирных целях. Советское государство охотно делится своими достижениями со всеми странами, оказывает бескорыстную научно-техническую и производственную помощь в этом деле другим государствам. Советский Союз содействует развитию научных исследований в области ядерной физики и использования атомной энергии в мирных целях в Китае, Польше, Чехословакии, Германской Демократической Республике, Болгарии и в других странах. Советский Союз поставляет этим странам различное оборудование и атомные установки, необходимые для организации научных исследований.

Например, в Чехословакии, имеющей высокоразвитую промышленность и испытывающей недостаток энергии, с помощью советских ученых строится атомная электростанция мощностью в 150 тыс. квт, которая будет закончена в 1960 г. Германская Демократическая Республика в содружестве с Советским Союзом приступила к сооружению атомной электростанции мощностью в 100 тыс. квт.

Начало новому этапу в развитии международного сотрудничества социалистических стран в области научных исследований положено организацией Объединенного института ядерных исследований. Он находится в г. Дубна Московской области. Этот институт — международная организация, участниками которой являются двенадцать государств: Народная Республика Албания, Народная Республика Болгария, Венгерская Народная Республика, Германская Демократическая Республика, Китайская Народная Республика, Корейская Народно-Демократическая Республика, Монгольская Народная Республика, Польская Народная Республика, Румынская Народная Республика, Демократическая Республика Вьетнам, Советский Союз и Чехословацкая Республика. Другие государства, которые в будущем пожелают принять участие в работе Объединенного института, могут по решению большинства государств — членов института стать его равноправными членами.

При капитализме ядерная энергия, как и все другие научные открытия, используются лишь в той мере, в какой они способствуют получению монополиями максимальных прибылей. Поэтому передовые капиталистические страны уделяют главное внимание военному применению ядерной энергии, способствующему проведению их агрессивной, империалистической политики, и в меньшей мере занимаются использованием этой энергии в промышленных целях.

Впереди других стран капиталистического мира в промышленном использовании ядерной энергии идет Англия. Ее топливные ресурсы к настоящему времени уже значительно истощены, добыча угля с каждым годом усложняется, а стоимость его увеличивается. Трудное положение с энергетикой и заставило Англию обратиться к новому мощному источнику энергии.

Первая английская атомная электростанция мощностью 46 тыс. квт построена в Колдер-Холле и в октябре 1956 г. дала промышленный ток. Строится вторая такая же станция. Англия рассчитывает построить к 1965 г. несколько атомных электростанций с общей мощностью около миллиона киловатт.

В США приступлено к строительству пяти атомных электростанций разного типа мощностью 75–236 тыс. квт. Эти станции предполагается ввести в строй в период между 1957 и 1960 гг. В США построены две подводные лодки с атомными силовыми установками.

Две атомные электростанции строятся во Франции. Первая из них будет мощностью 40 тыс. квт. Одна атомная электростанция мощностью 20 тыс. квт строится в Канаде, пуск ее предполагается в 1958 г.

Таким образом, если XIX век был по преимуществу веком пара, то XX век — век электричества — на наших глазах начинает превращаться в век атомной энергии. Происходит величайшая технико-экономическая революция, связанная с широким и многообразным применением ядерной энергии.

Использование нового источника энергии влечет за собой коренное преобразование не только энергетики, но также и транспорта, технологии, быта и здравоохранения; создается новая техника автоматизации, меняющая характер труда и обусловливающая колоссальное повышение его производительности; складываются новые условия для размещения производительных сил; открываются возможности для превращения знойных пустынь Юга и заснеженных пространств Арктики в цветущие районы земного шара. В этих коренных преобразованиях, выходящих за рамки собственно энергетики, и заключается суть этой технической революции, начало которой было положено первой советской атомной электростанцией и применением ядерной энергии в мирных целях.

Однако в руках агрессоров ядерная энергия может быть использована как средство массового уничтожения людей и материальных ценностей. Крупнейшие капиталистические государства и в первую очередь США направляют усилия своих ученых на разработку различных образцов атомного или ядерного оружия. Именно в США в годы второй мировой войны было создано впервые ядерное оружие в виде атомной бомбы.

В августе 1945 г. американцы сбросили на японские города Хиросима и Нагасаки первые атомные бомбы, хотя никакой военной необходимости в этом не было. Империалисты использовали новое оружие против женщин, стариков и детей в целях шантажа и запугивания миролюбивых народов как средство для завоевания мирового господства.

За истекшее время опасность атомной войны не только не уменьшилась, но, наоборот, возросла во много раз. Запасы ядерного оружия увеличились. К числу государств, производящих или пытающихся производить атомное оружие, присоединяются новые государства. В результате проведенных взрывов атомных и водородных бомб вся поверхность Земли и особенно северное полушарие оказались загрязненными радиоактивными веществами, образующимися при каждом взрыве.

В случае возникновения войны с применением ядерного оружия бедствия человечества будут весьма большими. Многие миллионы людей могут погибнуть непосредственно от взрыва, высокой температуры и радиации во время взрыва вне зависимости от типа применяемых бомб.

Так называемые «чистые» бомбы, о которых так много говорят за последнее время в США и которые должны давать меньше радиоактивных осадков, чем испытанные ранее, также принесут неисчислимые страдания человечеству.

Атомная война опустошит огромные районы земной поверхности, которые на длительный период времени станут непригодными для жизни, миллионы людей далеко за пределами районов военных действий могут быть поражены радиоактивными осадками, а многие из оставшихся в живых дадут генетически неполноценное потомство с повышенной смертностью, с укороченным периодом жизни и с большим процентом уродств и аномалий^[1].

Агрессивные круги США еще недавно полагали, что у них имеется безусловная монополия на ядерное оружие. Даже наиболее дальновидные их деятели в первые годы после второй мировой войны считали, что Советскому Союзу для производства такого оружия потребуется по крайней мере 10–15 лет, а большинство считало, что потребуется гораздо больше времени. Однако не прошло и нескольких лет, как советские ученые, которыми справедливо гордится советский народ, самостоятельно разработали несколько способов производства ядерной энергии как в интересах обороны нашей Родины, так и в мирных целях. Тем самым был нанесен серьезный удар поджигателям новой войны, пытавшимся использовать «секрет» производства ядерного оружия для запугивания других народов «с позиции силы».

Достижения Советского Союза в области ядерной энергии и ее применения не сводятся к какому-либо одному открытию или расшифровке секрета, как это иногда упрощенно представляют. В действительности мы имели здесь крупнейшее, хорошо организованное наступление целого фронта советской науки, успешно осуществленное в послевоенное время. Наши успехи явились результатом политики, проводимой Коммунистической партией и правительством Советского Союза с первых лет существования Советского государства. Эти успехи стали возможны лишь благодаря высокому уровню развития науки и техники нашей страны. Могучая социалистическая промышленность и в первую очередь тяжелая промышленность, выросшая у нас за годы Советской власти, сыграла здесь первостепенную роль.

Осуществляя величественную программу строительства коммунизма, советский народ кровно заинтересован в сохранении и укреплении мира между всеми народами. Советское государство последовательно проводит политику мира и укрепления международного сотрудничества. Вместе с тем Советский Союз никогда не забывает о тех агрессивных империалистических силах за рубежом, которые бешено готовятся к войне против Советского Союза и стран народной демократии. В этих условиях партия и правительство всемерно укрепляют оборону нашего социалистического государства от агрессивных действий его врагов. Советские Вооруженные Силы имеют в своем распоряжении все виды современного вооружения и боевой техники, включая различные образцы атомного и термоядерного оружия и ракетной техники, их боевая готовность находится на уровне современных требований. Советские Вооруженные Силы располагают надежными средствами доставки атомных и водородных зарядов в любой пункт земного шара.

Если агрессивные круги, уповая на ядерное оружие, решились бы на безумие и захотели испытать силу и мощь Советского Союза, то можно не сомневаться, что агрессор будет подавлен тем же оружием.

* * *

Советские ученые, укрепляя обороноспособность своей Родины, одновременно направляют свои усилия на то, чтобы величайшее открытие XX века — ядерную энергию поставить в полной мере на службу построения коммунизма. Не энергия, получаемая путем сжигания топлива, а ядерная энергия явится основой энергетики эпохи коммунизма. В сочетании с такими видами энергии, как энергия топлива, движущейся воды, солнца, ветра и т. п., ядерная энергия обеспечит коммунистическому обществу безграничное развитие производительных сил и увеличение общественного богатства.

В настоящей книжке изложены основные вопросы ядерной физики, знание которых необходимо для понимания особенностей ядерной энергии и тех физических принципов, которые используются или предполагаются использоваться в ближайшем будущем для ее производства. Книжка рассчитана на широкий круг военных читателей со средним образованием, стремящихся познакомиться с новой областью науки, имеющей большое практическое значение.

(обратно)

I. ATOM И АТОМНОЕ ЯДРО

1. Что такое атом

Атомная, или ядерная, энергия сосредоточена (скрыта) в ядрах атомов вещества и освобождается, то есть переходит в другие виды энергии, в результате ядерных превращений.

Чтобы открыть ядерную энергию и научиться ее использовать, необходимо было изучить строение вещества, проникнуть внутрь его, познать свойства и законы взаимодействия составляющих его частиц и научиться управлять их превращениями.

Идея о том, что любое вещество, кажущееся нам сплошным, состоит на самом деле из мельчайших частиц — атомов, была высказана впервые более двух тысяч лет тому назад философами-материалистами древней Греции Демокритом и Левкиппом. Атомы предполагались неделимыми, что нашло свое отражение и в самой терминологии: слово «атом» по-гречески означает «неделимый». Это была гениальная догадка, позволявшая объяснить многие явления природы, которые ранее представлялись таинственными и божественными. Поэтому не случайно материалистическое учение древнегреческих ученых об атомах было объявлено церковниками ересью и долгое время находилось под запретом церкви.

И только в XVII и XVIII столетиях под влиянием запросов развивающегося производства и торговли это учение вновь возрождается на новой основе как научная гипотеза. Выдающийся вклад в разработку этой гипотезы и превращения ее в научно обоснованную физическую теорию принадлежит М. В. Ломоносову, Дж. Дальтону и другим ученым.

В XIX веке было уже известно, что все вещества окружающих нас предметов разделяются на простые и сложные. Такие вещества, которые невозможно химическими способами разложить на более простые, были названы химическими элементами, то есть химически простыми веществами. Таковы, например, водород, гелий, кислород, которым мы дышим, алюминий, уран и т. д.

Большинство веществ природы относится к числу сложных: они состоят из большего или меньшего числа химических элементов. Таковы, например, вода, которую можно разложить на кислород и водород, сталь, состоящая из железа, углерода и других элементов, и многие другие вещества.

Считалось, что каждый химический элемент состоит из мельчайших частиц — зерен вещества или атомов, на которые распадается элемент при химических превращениях (реакциях). Атомы — это предел делимости химического элемента, поэтому их нельзя разложить химическими способами на еще меньшие частицы. Атом является материальным носителем присущих элементу химических и физических свойств.

Атомы сравнительно небольшого числа химических элементов, существующих в природе, соединяясь в различных комбинациях, образуют все бесконечное многообразие сложных веществ природы. Частица вещества, построенная из нескольких атомов, называется молекулой. Молекула, например, воды построена из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Один атом металла натрия, соединяясь с атомом газа хлора, образует молекулу поваренной соли, которую мы употребляем в пищу. Число атомов, входящих в состав молекул более сложных веществ, исчисляется иногда сотнями и тысячами.

Как можно заключить из вышесказанного, все вещества природы (как простые, так и сложные) состоят в конечном счете из атомов. Атомы — это как бы «кирпичики», из которых построены все окружающие нас тела и мы сами.

На свете не было и нет еще такого микроскопа, который позволил бы увидеть отдельные атомы. Но наука нашла другие способы обнаружения атомов и изучения их свойств. В результате к концу XIX и началу XX столетия, когда экспериментальные методы науки достигли значительного совершенства, существование атомов было достоверно доказано.

Правда, и тут нашлись такие скептики, которые пытались поставить под сомнение существование атомов, воскрешая тем самым линию средневековых церковников. Это были Мах, Оствальд и другие представители реакционной идеалистической философии, утверждавшие, что атомы — это выдумка и что якобы скоро упоминание об атомах будут находить лишь в пыли библиотек.

История жестоко посмеялась над этими «пророками». Доказав реальность существования атомов, физики-материалисты определили их размеры, вес (массу) и проникли в их недра, открыв много новых и интересных явлений. Проникнув внутрь атомов, исследовав их строение и те сложнейшие процессы, которые там происходят, физики пришли к открытию ядерной энергии. Этим физика еще раз подтвердила незыблемость положения диалектического материализма о безграничных возможностях науки в познании окружающего нас мира.

2. Размеры и масса атома

Даже крупные молекулы, состоящие из нескольких тысяч атомов, столь малы, что увидеть их в самый сильный оптический микроскоп не представляется возможным. При помощи такого микроскопа можно рассмотреть лишь предметы, размеры которых превышают тысячную долю миллиметра. Электронный микроскоп, изобретенный в последние десятилетия, увеличил возможность наших органов зрения, отодвинув границу невидимого до нескольких миллионных долей миллиметра. С помощью этого замечательного прибора удалось, наконец, увидеть и сфотографировать отдельные наиболее крупные молекулы. Но атомы мы пока не можем видеть; их размеры определены косвенным путем. Оказалось, что в среднем диаметр атома равен примерно одной стомиллионной доле сантиметра. Это означает, что ряд, построенный из ста миллионов атомов, расположенных вплотную один к другому, занял бы всего около одного сантиметра. Атом во столько раз меньше яблока средней величины. во сколько само яблоко меньше земного шара.

Масса или вес отдельного атома также чрезвычайно малы^[2]. Это можно видеть из следующего примера. Количество атомов, содержащихся в одном грамме водорода, выражается числом, состоящим из цифры 6 с двадцатью тремя нулями:

600 000 000 000 000 000 000 000,

что можно записать кратко в виде: 6∙10²³. Представить, насколько велико это число, можно из следующего примера.

Если бы все атомы, содержащиеся в одном грамме водорода, удалось распределить равномерно по всей Земле, то на каждый сантиметр ее поверхности пришлось бы около 100 тыс. атомов.

Поскольку в одном грамме водорода содержится 6∙10²³ атомов, то отсюда нетрудно сообразить, что масса одного такого атома будет равна единице, деленной на 6∙10²³, что дает 1,66∙10^-24 г. Другими словами, масса атома водорода равна 1,66 г, деленным на число из единицы с 24 нулями^[3].

Отсюда видно, что массы (соответственно и веса) атомов в граммах выражаются крайне малыми числами. Поэтому в атомной физике применяют обычно специальные единицы веса и массы, более удобные на практике.

Вес атомов выражают в относительных единицах, в которых вес атома кислорода принимается равным 16 единицам. Число, равное отношению веса данного атома к весу 1/16 части атома кислорода, называется атомным весом. Атомный вес водорода, самого легкого из всех химических элементов, составляет 1,008, что приблизительно равно единице. Отсюда следует, что приближенно атомный вес можно определить как вес данного атома по отношению к весу атома водорода.

Массу атомов выражают в специальных атомных единицах массы (сокращенно а.е.м.), в которых масса атома кислорода принимается равной 16 единицам. 1 а.е.м., равна 1,66∙10^-24 г, что соответствует приблизительно массе атома водорода.

Из вышеизложенного следует, что относительный атомный вес и масса атома в атомных единицах численно равны между собой. В силу этого атомный вес, приведенный в таблице Д. И. Менделеева (рис. 1) для каждого элемента, дает нам в то же время массу атома этого элемента в атомных единицах. Если, например, атомный вес гелия равен 4,003, то это значит, что масса атома гелия равна 4,003 а.е.м.

^{Рис. 1. Периодическая система элементов Д. И. Менделеева}

Атом урана — самый тяжелый из всех атомов, существующих в природе, — в 238 раз тяжелее атома водорода, его атомный вес 238; масса его атома равна 238 а.е.м. Атомный вес, округленный до целых единиц, называется массовым числом.

3. Великий закон природы

Почти до конца прошлого столетия в науке господствовало ошибочное убеждение, что атом представляет собой неизменную, абсолютно неделимую элементарную частицу вещества.

В конце XIX и начале XX столетий, когда наука смогла проникнуть внутрь атома, выяснилось, что атом представляет собой сложное материальное образование, состоящее из нескольких более простых частиц и способное к изменениям и превращениям.

В обосновании нового учения об атоме и овладении заключенной в нем энергией выдающуюся роль сыграл открытый в 1869 г. гениальным русским химиком Д. И. Менделеевым периодический закон химических элементов. Глубочайшая вера в объективность законов природы привела Менделеева, убежденного материалиста и диалектика, к открытию великого закона природы, которое Ф. Энгельс оценивал как научный подвиг.

Менделеев установил, что свойства химических элементов изменяются периодически и что между ними существует внутренняя закономерная связь. Основываясь на этом, Менделеев расположил химические элементы в ряд по их атомным весам, построив таким образом периодическую систему (таблицу) элементов, которая охватывает все существующие химические элементы (рис. 1).

В 1869 г. было известно только 64 элемента. Из них лишь 35 были изучены настолько хорошо, что их можно было уверенно расположить в системе. У остальных известных элементов даже основные свойства еще не были изучены в достаточной мере.

Однако глубоко уверенный в правильности открытого им закона. Менделеев размещал элементы в периодической системе, изменяя неверные значения атомного веса ряда элементов и предсказывая новые их свойства. В некоторых случаях ученый оставил в таблице пустые клетки для не открытых, но, по его мнению, существующих в природе элементов.

«Каждый естественный закон, — писал Менделеев, — однако, тогда только приобретает особое научное значение, когда из него есть возможность извлекать практические, если можно так выразиться, следствия, то есть такие логические заключения, которые объясняют не объясненное еще, указывают на явления, до тех пор неизвестные, и, особенно, когда он дает возможность делать такие предсказания, которые возможно подтвердить опытом. Тогда очевидна становится польза закона и получается возможность испытать его справедливость».

Опираясь на открытый им закон, Д. И. Менделеев предсказал существование новых, неизвестных еще элементов и наперед описал физико-химические свойства некоторых из них.

Дальнейшее развитие науки блестяще подтвердило замечательные предвидения великого ученого. Несколько из указанных Менделеевым элементов были открыты еще при его жизни, и свойства их полностью совпали с его предсказаниями.

Величие подвига Д. И. Менделеева стало особенно отчетливым в XX столетии, когда открытый им закон получил глубокое обоснование новыми открытиями физики.

Новейшие исследования показали, что в принятом Менделеевым порядке размещения элементов нет ни одной ошибки. Все элементы, открытые после 1869 г., разместились на оставленных для них местах, подчиняясь тому же единому для всех элементов периодическому закону.

В настоящее время в периодической системе Менделеева насчитывается 102 элемента, начиная с самого легкого водорода, находящегося на первом месте, и кончая менделевием, открытым в 1955 г. и занимающим 101 место, и нобилием, открытым в 1957 г. и занимающим 102 место. Американский физик Г. Сиборг и его сотрудники, открывшие 101 элемент, присвоили ему название менделевий в честь автора периодической системы, служащей в течение почти столетия ключом к открытию новых элементов.

Каждый химический элемент имеет в периодической системе строго определенное место с определенным порядковым номером, называемым числом Менделеева, или атомным номером. Водород, открывающий таблицу, имеет номер 1, гелий — 2, уран — 92 и т. д. Атомный номер набран в таблице (рис. 1) крупным жирным шрифтом. Там же под наименованием элементов приведены их атомные веса. С возрастанием атомного номера свойства элементов периодически изменяются. Зная место элемента в периодической таблице, можно указать его основные свойства.

Атомный номер Z и атомный вес А — это основные величины, которыми характеризуются атомы каждого элемента.

Из периодического закона следует, что атомы различных элементов внутренне связаны между собой и поэтому, отличаясь друг от друга, они должны в то же время иметь что-то общее, дающее им возможность к изменениям и превращениям друг в друга. Отсюда получается, что атомы не могут быть простыми и неизменными шариками с раз и навсегда данными свойствами, а должны иметь сложное строение.

Новый взгляд на атом, как на качественно своеобразную материальную систему, не являющуюся чем-то простым и неизменным, был сформулирован Ф. Энгельсом раньше, чем это сделали сами физики и химики, а в дальнейшем развит В. И. Лениным. Энгельс указывал, что атомы «отнюдь не являются чем-то простым, не являются вообще мельчайшими известными нам частицами вещества»^[4].

Важнейшими открытиями, доказавшими сложность атома и тем самым подтвердившими взгляды Ф. Энгельса и подготовившими создание современной теории атома, явились открытия электрона (1897 г.) и радиоактивности (1896–1898 гг.).

Обобщая результаты науки начала XX столетия и критикуя старое метафизическое понимание атома как неизменной и неделимой частицы вещества, Ленин говорил, что диалектический материализм признает неисчерпаемость атома и утверждает, что «электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна…»^[5] Ленинское учение о неисчерпаемости материи во всех ее частях и проявлениях, полностью подтвержденное последующим развитием науки, имеет важное значение для прогресса современной атомной физики.

4. Строение атома

По современным представлениям, в формировании которых большую роль сыграли работы великого английского физика Э. Резерфорда, атом состоит из тяжелого положительно заряженного ядра, обладающего очень малыми размерами, и легких электронов, движущихся вокруг ядра в обширной области, получившей название электронной оболочки (рис. 2).

^{Рис. 2. Строение атома}

Диаметр ядра в несколько десятков тысяч раз меньше диаметра атома. Если представить себе атом увеличенным до размеров высотного здания Московского университета на Ленинских горах, то ядро представится тогда в виде вишни средней величины.

Электрон — мельчайшая частица вещества, обладающая зарядом отрицательного электричества. Вес (масса) электрона очень мал; он примерно в 1840 раз меньше веса легчайшего из всех атомов — атома водорода. Электрический заряд, меньший чем у электрона, никогда не наблюдался. Поэтому в атомной физике принято все заряды измерять в зарядах электрона.

Число электронов в электронной оболочке атома равно числу положительных зарядов в его ядре. Благодаря одинаковому числу положительных и отрицательных зарядов атом в целом нейтрален, то есть электрически не заряжен.

Положительный заряд ядер атомов различных химических элементов не одинаков: заряд ядра, а следовательно, и число обращающихся вокруг него электронов равны порядковому номеру элемента Z в периодической системе Менделеева. Так, например, атом водорода состоит из ядра, имеющего один заряд положительного электричества и движущегося вокруг него одного электрона. Соответственно этому водород стоит на первом месте в периодической системе. Атом гелия состоит из ядра, имеющего двойной положительный заряд, и движущихся вокруг него двух электронов. Гелий расположен в периодической системе на втором месте. В атоме кислорода имеется 8 положительных зарядов в ядре и 8 электронов в оболочке. Соответственно этому кислород занимает в системе Менделеева восьмое место.

Открытие того, что порядковый номер (положение) элемента в периодической системе, от которого зависят химические свойства элемента, равен как раз числу положительных зарядов в ядре данного атома, вскрыло глубокий смысл системы Менделеева. Нельзя не удивляться гениальной прозорливости великого русского химика, сумевшего за сорок лет до открытия самого существования атомных ядер правильно определить место каждого элемента в открытой им периодической системе.

Строя свою систему, Менделеев располагал элементы в порядке возрастания их атомных весов, так как атомный вес был в то время главным отличительным признаком разных элементов. Но, учитывая все другие свойства аргона, калия, кобальта, никеля, иода и теллура, Менделеев разместил эти элементы с нарушением постепенного возрастания их атомных весов. Так, например, элемент теллур (атомный вес 127,6) Менделеев поставил на 52 место, а иод (атомный вес 126,9) — на 53-е, хотя их следовало бы расположить в обратном порядке, если руководствоваться атомным весом. Многочисленные измерения электрического заряда ядер атомов аргона, калия, кобальта, никеля, иода, теллура и всех других элементов показали, что число «элементарных» зарядов в ядрах атомов элементов точно совпадает с тем порядковым номером, который им дал Менделеев в своей периодической системе.

Таким образом, место элементов в периодической системе объективно обусловлено положительным зарядом их атомных ядер. Тем самым было установлено, что число «элементарных» зарядов в ядре (число Менделеева Z) является самой главной и существенной характеристикой атома, полностью определяющей его химические свойства.

Между положительно заряженным ядром атома и его электронами, как и между всякими разноименно заряженными телами, действуют силы электрического притяжения, удерживающие электроны в обширной оболочке атома. Электроны обращаются в атоме на разных расстояниях от ядра, располагаясь несколькими слоями. В каждом слое может находиться лишь вполне определенное количество электронов. Первый слой, ближайший к ядру, получил название K-слоя; в нем может находиться не более двух электронов. Далее следует второй слой (L-слой), имеющий не более 8 электронов, третий слой (M-слой), содержащий не более 18 электронов, и т. д. Под действием сил притяжения со стороны ядра электроны стремятся расположиться в ближайших к ядру слоях. Поэтому при построении электронной оболочки атома сперва заполняется слой K, затем L, М и т. д. Если число электронов в атоме, равное, как мы знаем, Z, меньше того их количества, которое необходимо для заполнения слоев, то последний (верхний) слой остается незаполненным. Строение электронной оболочки некоторых атомов схематически дано на рис. 3. Каждый слой условно изображен окружностью, на которых точками показаны электроны.

^{Рис. 3. Строение электронной оболочки некоторых атомов}

В каждой клетке таблицы Менделеева (см. рис. 1), помимо атомного номера и атомного веса, приведены колонки цифр, указывающих распределение электронов по слоям. Для алюминия, например, найдем следующие цифры (снизу вверх): 2, 8, 3, дающие число электронов соответственно в слоях K, L и М; для меди — 2, 8, 18, 1 и т. д.

Первоначально ученые считали, что электроны в атоме вращаются вокруг ядра совершенно так же, как планеты, в том числе и наша Земля, обращаются вокруг Солнца. Атом рассматривали как солнечную систему в миниатюре.

Однако развитие науки показало, что наряду с некоторым сходством между атомом и солнечной системой существует громадное качественное различие. Движение электронов в атоме значительно сложнее, и поэтому, строго говоря, уподоблять атом солнечной системе нельзя.

Наиболее удаленный от ядра внешний слой электронов удерживается ядром с наименьшей силой. Поэтому атомы могут терять один или несколько электронов именно из внешнего слоя. Чем дальше от ядра находятся внешние электроны, способные отрываться от атома, тем легче объединяются они с электронами других атомов при химических взаимодействиях. Химическая активность элементов, их способность участвовать в различных химических процессах определяется именно внешними электронами.

Если из нейтрального атома удалить (выбить) один из его электронов, то, лишенный электрона, атом окажется положительно заряженным. Такой заряженный атом называется положительным ионом. Электрон, выбитый из атома и существующий либо свободно, либо присоединившись к какому-либо атому, образует отрицательный ион. Процесс удаления электрона из атома, в результате которого образуется пара ионов, называется ионизацией.

Простейшим примером иона является ионизированный атом водорода, называемый протоном. Так как в нейтральном атоме водорода имеется всего один электрон, то нетрудно понять, что протон, получающийся при удалении этого единственного электрона, представляет собой попросту ядро атома водорода.

Дважды ионизированный атом гелия, называемый альфа-частицей, есть не что иное, как ядро атома гелия.

Чтобы ионизировать атом, необходимо произвести работу по преодолению сил электрического притяжения, удерживающих электрон вблизи от ядра, и, следовательно, затратить некоторую энергию. Для атомов различных элементов требуются различные затраты энергии. В атмосферном воздухе, состоящем главным образом из азота и кислорода, необходимая для образования одной пары ионов энергия составляет в среднем 32,5 электрон-вольта.

Электрон-вольт (эв) — единица энергии, принятая в атомной физике. Электрон-вольт — такое количество энергии, которое приобретает электрон, пробежавший в ускоряющем электрическом поле путь с напряжением (разностью потенциалов) в 1 в.

Часто употребляется более крупная единица — мегаэлектрон-вольт (Мэв), равный миллиону электрон-вольт:

1 Мэв=1000000 эв.

Можно показать, что мегаэлектрон-вольт равен шестнадцати десятимиллионным долям общефизической единицы энергии эрга:

1 Мэв=16/10000000 эрга,

что кратко можно записать следующим образом:

1 Мэв=16∙10^-7 эрга=1,6∙10^-6 эрга.

(обратно)

II. РАДИОАКТИВНОСТЬ

1. Что такое радиоактивность

В 1896 г. французский ученый А. Беккерель обнаружил, что соли урана испускаютневидимые лучи, которые сильно ионизируют воздух, действуют на фотопластинку, проникают через бумагу, картон и даже металл и вызывают некоторые другие явления.

В 1898 г. французские ученые Пьер Кюри и Мария Кюри-Склодовская открыли два новых химических элемента, у которых излучение, аналогичное излучению урана, было значительно более сильным. За это одному из вновь открытых элементов было дано наименование «радий», что означает «лучистый»; другой элемент был назван «полонием» в честь Польши — родины Марии Кюри-Склодовской.

Свойство некоторых веществ самопроизвольно испускать подобно радию невидимые лучи получило название радиоактивности. В последующем было обнаружено, что радиоактивностью, помимо урана, радия и полония, обладают также торий, актиний, радон и ряд других элементов, расположенных преимущественно в конце периодической системы Менделеева.

Химические элементы, обладающие радиоактивностью, называются радиоактивными элементами. В природе встречается около полутора десятков естественно радиоактивных элементов.

Радиоактивность, свойственная веществам, встречающимся в природе, называется естественной. Исследование естественной радиоактивности было делом всей жизни Пьера Кюри и Марии Кюри-Склодовской.

В 1934 г. была открыта искусственная радиоактивность, то есть радиоактивность, вызываемая по желанию человека у таких элементов, которые в природных условиях не обладают радиоактивностью. Открытие и исследование искусственной радиоактивности принадлежит французским ученым — выдающемуся борцу за мир коммунисту Фредерику Жолио-Кюри и его жене Ирен Жолио-Кюри. Это открытие — одно из крупнейших событий в истории естествознания; оно привело к разработке методов использования ядерной энергии и оказало чрезвычайно большое влияние на развитие всей науки и техники.

2. Свойства радиоактивных излучений

Что же представляют собой лучи радиоактивных веществ? Чтобы ответить на этот вопрос, ученые исследовали поведение этих лучей в магнитном поле между полюсами сильного магнита. Оказалось, что узкий пучок радиоактивных лучей разделяется в магнитном поле на три пучка (рис. 4). Лучи, отклонявшиеся в ту же сторону, в которую отклоняются движущиеся в магнитном поле положительно заряженные частицы, назвали альфа-лучами (α). Лучи, отклонявшиеся в противоположную сторону, назвали бета-лучами (β). Наконец, лучи, которые не испытывали отклонения в магнитном поле и распространялись прямолинейно, назвали гамма-лучами (γ).

^{Рис. 4. Схема опыта по разделению радиоактивных лучей магнитным полем}

Было установлено, что альфа-лучи — это поток быстро движущихся положительно заряженных частиц (альфа-частиц), оказавшихся при дальнейшем исследовании ядрами атомов гелия. Альфа-частицы вылетают из радиоактивных, преимущественно тяжелых, элементов во всех направлениях с большими скоростями, достигающими 20–25 тыс. км/сек. Двигаясь с такой скоростью, можно было бы совершить кругосветное путешествие вокруг Земли всего за 2 секунды. Кинетическая энергия, которой обладают альфа-частицы при этом, может достигать 10 и более миллионов электронвольт. Если бы можно было собрать один грамм таких частиц и все их одновременно направить на какую-либо мишень, то она получила бы удар, равный удару по крайней мере 100 000 артиллерийских снарядов шестидюймового калибра.

Важнейшим свойством альфа-частиц является их большая ионизирующая способность, обусловленная главным образом наличием у них двойного положительного заряда. Двигаясь в веществе, альфа-частица срывает у атомов, мимо которых пролетает, один или несколько электронов и образует ионы. В воздухе, например, на каждом сантиметре своего пробега альфа-частица ионизирует до 30 000 атомов и образует, следовательно, такое же количество пар ионов.

Растрачивая энергию на ионизацию атомов, альфа-частицы пробегают сравнительно небольшой путь, после чего, присоединяя к себе по два электрона, они превращаются в обычные атомы гелия. Пробег альфа-частиц в воздухе имеет величину 1–16 см.

Пробег альфа-частицы зависит от ее скорости (энергии). Чем больше скорость, тем больше энергия частицы и тем, следовательно, длиннее будет пробег. В подтверждение сказанного ниже приводятся величины пробега альфа-частиц в воздухе при температуре 15° Ц и нормальном давлении для разных скоростей (соответственно разных энергий).

Пробег альфа-частиц в воздухе
Скорость, км/сек	Пробег, см
10 000	1,04
15 000	3,17
20 000	7,82
25 000	16,44

Все альфа-частицы, испускаемые каким-либо радиоактивным веществом, обладают приблизительно одинаковой энергией и вследствие этого имеют практически равную длину пробега.

Пробег альфа-частиц зависит также и от плотности среды, в которой они движутся. В твердых веществах, например, в металлах, бумаге, ткани, стекле и т. п., в которых атомы расположены значительно ближе друг к другу, чем в воздухе, пробег альфа-частиц во много раз короче и составляет несколько тысячных долей сантиметра. Поэтому для полного поглощения всех альфа-частиц с энергией не более 5 Мэв требуется листовой алюминий толщиной всего 0,002 см. Ткань нашей одежды полностью поглощает альфа-частицы любых скоростей.

Вторая часть радиоактивного излучения — бета-лучи — представляет собой поток сверхбыстрых электронов, вылетающих из ядер радиоактивных веществ со скоростями, близкими к скорости света, которая для пустоты равна 300 000 км/сек. Бета-лучи — наиболее распространенное излучение при искусственной радиоактивности.

Ионизирующее действие бета-частиц слабее, чем у альфа-частиц, примерно в 100 раз. Поэтому пробег у них значительно длиннее, как это видно из нижеследующей таблицы, в которой приведен пробег бета-частиц в воздухе при 15° Ц и нормальном давлении, в воде и свинце для разных скоростей соответственно разным энергиям.

Пробег бета-частиц
Скорость бета-частиц, км/сек	Пробег, см
	воздух	вода	свинец
260 000	160	0,19	0,037
298 000	2000	2,6	0,3

Как видим, наиболее быстрые бета-частицы пробегают в воздухе до 2000 см, то есть до 20 м, в воде — до 2,6 см, в свинце — до 0,3 см. Таким образом, проникающая способность у бета-лучей гораздо больше, чем у альфа-лучей.

Бета-частицы, испускаемые каким-либо радиоактивным веществом, обладают в отличие от альфа-частиц различными скоростями, то есть различной энергией — от нуля и до некоторого максимального значения, вполне определенного для каждого вещества. Например, у радиоактивного кобальта 60 (то есть кобальта с атомным весом 60) максимальная энергия бета-частиц составляет около 0,3 Мэв, у стронция 89 равна 1,5 Мэв. Вследствие этого бета-частицы любого вещества имеют различные пробеги. Поэтому ослабление пучка бета-частиц при прохождении через вещество происходит постепенно, как это показывает кривая поглощения рис. 5. Толщина слоя вещества, в котором пучок бета-частиц полностью поглощается, как раз равна их максимальному пробегу.

^{Рис. 5. Ослабление потока бета-частиц в веществе}

Третья часть радиоактивного излучения — гамма-лучи — представляет собой электромагнитное излучение, распространяющееся со скоростью света. По своей природе оно подобно радиоволнам, но имеет очень малую длину волны, измеряемую ничтожными долями миллиметра; гамма-лучи близки по своим свойствам к рентгеновским лучам. Распространение гамма-лучей сопровождается ионизацией частиц среды, правда, в тысячи раз более слабой, чем при прохождении альфа-частиц. Поэтому гамма-лучи обладают наибольшей из всех видов радиоактивного излучения проникающей способностью.

Относительная проникающая способность альфа-, бета- и гамма-лучей показана на рис. 6. Радиоактивный источник, находящийся в свинцовой коробочке, испускает все три сорта радиоактивного излучения. Альфа-лучи поглощаются тонким алюминиевым листком, а бета- и гамма-лучи проходят через него без заметного ослабления. Во втором листке алюминия толщиной 3 мм бета-лучи поглощаются полностью, а гамма-лучи проходят, лишь несколько ослабляясь. Наконец, слой алюминия толщиной 120 см значительно ослабляет гамма-лучи, хотя целиком их и не поглощает.

^{Рис. 6. Относительная проникающая способность альфа-, бета- и гамма-лучей}

Ослабление параллельного пучка гамма-лучей при прохождении через вещество происходит постепенно по так называемому экспоненциальному закону, как это показывает кривая (экспонента) на рис. 7. По вертикальной оси здесь отложена интенсивность гамма-лучей, то есть количество лучистой энергии, проходящей в секунду через квадратный сантиметр площадки, перпендикулярной к лучам; по горизонтальной оси отложена толщина слоя вещества. Интенсивность гамма-лучей, попадающих на поверхность вещества, принята за единицу. Из рисунка видно, что полностью поглотить гамма-лучи может, строго говоря, лишь слой бесконечно большой толщины. Слой вещества, при прохождении которого интенсивность гамма-лучей уменьшается в 2 раза, называется слоем половинного ослабления. Этим слоем, обозначенным на рис. 7 через x_½, характеризуют обычно поглощающие свойства вещества по отношению к гамма-лучам.

^{Рис. 7. Ослабление интенсивности гамма-лучей в веществе}

Различные материалы поглощают гамма-лучи по-разному. На рис. 8 приведено ослабление гамма-лучей средней энергии в некоторых материалах. Для ослабления таких лучей в 10 раз необходим слой свинца толщиной 5 см, либо слой бетона в 20–30 см, либо слой земли в 50–60 см. В воздухе подобное ослабление гамма-лучи испытывают, пройдя несколько сот метров.

^{Рис. 8. Ослабление гамма-лучей различными материалами в 10 раз}

Гамма-лучи распространяются из радиоактивного вещества во всех направлениях, вследствие чего их интенсивность сильно уменьшается с расстоянием; при увеличении расстояния в 2 раза интенсивность уменьшится в 4 раза, при увеличении расстояния в 5 раз — в 25 раз.

3. Природа радиоактивности

Чем объясняется радиоактивность? Каково происхождение радиоактивных лучей?

В результате многолетних исследований было установлено, что радиоактивность — ядерный процесс, что испускание радиоактивных лучей является следствием сложных превращений, испытываемых ядрами атомов радиоактивных веществ. Оказалось, что ядра урана, радия, полония и других радиоактивных элементов недостаточно прочны и поэтому сами без всякого внешнего воздействия последовательно превращаются в более простые и устойчивые ядра атомов других элементов. Подобные самопроизвольные превращения ядер атомов одних элементов в ядра атомов других элементов называются радиоактивным распадом. В куске урана, например, сложные и недостаточно устойчивые ядра его атомов постепенно (то одно, то другое) самопроизвольно превращаются в несколько более прочные ядра тория, выбрасывая при этом альфа-частицу.

Подобным же образом ядра радия, испуская альфа-частицу, самопроизвольно превращаются в ядра атомов тяжелого инертного газа — радона.

Радиоактивный распад с испусканием альфа-частиц называют альфа-распадом, а сами вещества, распадающиеся таким путем, — альфа-активными. Уран, радий, полоний и другие преимущественно тяжелые элементы являются альфа-активными веществами.

Распад многих других радиоактивных веществ сопровождается испусканием бета-частиц и называется бета-распадом. Так, например, ядро актиния самопроизвольно превращается в ядро тория, выбрасывая бета-частицу. Вещества, распадающиеся с испусканием бета-частицы, называются бета-активными.

Искусственные радиоактивные вещества обладают обычно бета-активностью, но среди них встречаются такие вещества, ядра которых при своем распаде испускают «антиэлектроны», то есть положительно заряженные электроны, называемые позитронами. Соответственно этому различают электронный бета-распад, свойственный многим бета-активным атомам, и позитронный бета-распад, встречающийся у искусственно-радиоактивных атомов.

Существуют и такие Вещества, которые обладают одновременно и альфа- и бета-активностью.

Что касается гамма-лучей, то испускание их представляет собой процесс, обычно сопровождающий альфа- и бета-распад атомных ядер.

Атомные ядра, получающиеся при распаде большинства радиоактивных веществ, оказываются в свою очередь радиоактивными и распадаются дальше. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не образуется, наконец, устойчивое ядро нерадиоактивного элемента. Цепочки радиоактивных превращений оказались весьма длинными и сложными, но все же удалось в них разобраться. Установлено, что почти все естественные радиоактивные элементы образуют всего четыре радиоактивных ряда или семейства. У каждого семейства имеется свой родоначальник; остальные же элементы — продукты его последовательного радиоактивного распада, связанные между собой по происхождению. Эти семейства следующие:

1. Семейство урана — радия, родоначальником которого является уран с атомным весом 238 (уран 238), одним из главных представителей — радий и конечным продуктом — нерадиоактивный свинец с атомным весом 206 (свинец 206).

2. Семейство тория; его родоначальник — торий 232, конечный стабильный продукт — свинец 208.

3. Семейство урана — актиния; его родоначальник — одна из разновидностей урана (уран 235), один из представителей — актиний и конечный стабильный продукт — свинец 207.

4. Семейство нептуния, открытое в 1947 г.; его родоначальник — плутоний 241, конечный стабильный продукт — висмут 209.

Семейство урана — радия схематически дано на рис. 9, где по горизонтальной оси отложен порядковый номер элемента в системе Менделеева (атомный номер), а по вертикальной оси — атомный вес.

^{Рис. 9. Радиоактивное семейство урана — радия}

Цепочка радиоактивных превращений начинается здесь с урана 238 (₉₂U²³⁸) и тянется в направлении, обозначенном стрелками, к свинцу 206.

Альфа-распад ведет на этой диаграмме к смещению влево вниз, а бета-распад к смещению по горизонтали вправо.

Ряд имеет разветвления, обусловленные тем, что одно и то же вещество может обладать и альфа- и бета-активностью. Например, атомы RaC (разновидности висмута) способны превращаться либо в RaC' (разновидность полония) путем бета-распада, либо в RaC'' (разновидность таллия) путем альфа-распада. Затем RaC' претерпевает альфа-распад, a RaC'' — бета-распад. В итоге оба эти распада ведут к возникновению одного и того же вещества RaD, являющегося разновидностью свинца.

4. Основной закон радиоактивного распада

Прежде всего следует указать, что атомы радиоактивных элементов распадаются не одновременно все сразу, а как бы по очереди: один, потом другой, третий и т. д. Но рано или поздно все радиоактивные атомы распадаются, превращаясь в более устойчивые атомы.

Процесс этот происходит с определенной для каждого вещества скоростью, которую невозможно ни увеличить, ни уменьшить. У каждого радиоактивного вещества распадается в единицу времени вполне определенная часть (доля) общего числа его атомов.

Число атомов, распадающихся в единицу времени, зависит, разумеется, от начального количества атомов, то есть от начальной массы радиоактивного вещества. Чем меньше взято вещества, тем меньше в нем атомов и тем меньше будет число распадающихся атомов. Так, например, в грамме радия распадается в течение секунды 37∙10⁹ (37 млрд.) атомов. Если же взять ½ г, то число распадающихся за то же время атомов уменьшится вдвое. Но доля распадающихся атомов не изменится и будет для данного радиоактивного вещества постоянной величиной, за что ее и называют постоянной распада.

Постоянную распада λ для радия мы найдем, если 37∙10⁹ разделим на число атомов, содержащихся в грамме радия, приблизительно равное 27∙10²⁰:

Эта малая дробь показывает, что в секунду из каждых 10 триллионов атомов радия распадается всего 137 атомов.

Постоянная распада зависит от устойчивости атомных ядер и у различных радиоактивных веществ имеет свои разные значения. Чем больше постоянная распада, тем быстрее уменьшается первоначальное количество атомов. Время, в течение которого распадается половина атомов данного радиоактивного вещества, обозначается Т и называется периодом полураспада. Этой величиной и характеризуется на практике скорость радиоактивного распада.

Радиоактивные вещества обладают различными периодами полураспада: от малых долей секунды до многих миллиардов лет.

Период полураспада урана 238 составляет 4,5 млрд. лет, радия — около 1590 лет, кобальта 60 — 5,2 года, радона — менее четырех дней. Если взять, например, 1 г радия, то через 1590 лет его останется полграмма, а вторые полграмма распадутся, превращаясь в конечном счете в ядра атомов свинца 206. Еще через 1590 лет радия останется четверть грамма и т. д.

Поскольку количество радиоактивного вещества за один период полураспада уменьшается до половины, постольку очевидно, что по истечении, например, пяти периодов количество вещества уменьшится до 1/2⁵=0,03, что составит 3% начального количества.

Количество атомов, распадающихся за одну секунду, называется активностью радиоактивного вещества. Чем больше имеется атомов радиоактивного вещества, то есть чем больше количество этого вещества, тем больше активность. Если имеется N₀ радиоактивных атомов и известна постоянная распада λ, то активность а определится произведением

а=λN₀.

Вследствие распада число нераспавшихся атомов радиоактивного вещества непрерывно уменьшается. Соответственно этому происходит уменьшение активности вещества. Распад атомов с испусканием альфа- и бета-частиц сопровождается в большинстве случаев гамма-излучением.

Один грамм радия испускает в секунду 37 млрд. альфа-частиц, так как за это время в нем совершается 37 млрд. распадов. С уменьшением количества радия уменьшается и число альфа-частиц, происходит, следовательно, ослабление радиоактивного излучения, испускаемого веществом. После пяти периодов активность становится равной 3% первоначальной. По истечении десяти периодов активность снижается до 1/2¹⁰=0,001, что составляет 0,1% первоначальной величины. Следовательно, по истечении достаточно большого числа периодов полураспада можно считать, что распад фактически закончился.

Уменьшение количества радиоактивного вещества, или его активности, с течением времени можно изобразить графически с помощью кривой (рис. 10). Здесь для простоты начальная активность принята за единицу, а время отложено по горизонтальной оси в периодах полураспада.

^{Рис. 10. Уменьшение активности радиоактивного вещества с течением времени}

Обычно при измерении активности пользуются единицей кюри, установленной по чистому радию.

Активность данного количества радиоактивного вещества равна 1 кюри, если в нем, как и в 1 г радия, происходит 37∙10⁹ распадов в 1 секунду.

По активности того или другого препарата можно судить о количестве (точнее массе) радиоактивного вещества, находящегося в нем. Единица активности — кюри — служит в то же время единицей для измерения количества радиоактивного вещества. Под кюри понимают в этом случае такое количество радиоактивного вещества, в котором происходит 37 млрд. распадов в секунду.

Активность вещества тем больше, чем меньше период его полураспада. В атомной физике доказывается, что период полураспада Т и постоянная распада λ связаны между собой простым соотношением

Тогда вышеприведенная формула для активности примет следующий вид:

Чем меньше период полураспада Т, тем больше активность а. Например, для бета-активной сурьмы 131, образующейся наряду с другими элементами при атомном взрыве, период полураспада Т=21,3 минуты=1278 секунд. Поэтому активность одного грамма этой сурьмы, в котором содержится N₀=4,6∙10²¹ атомов, будет равна атомов в секунду.

Таково же будет число бета-частиц, испускаемых в секунду.

Сравнивая это число с числом альфа-частиц, испускаемых таким же количеством радия, имеющего большой период полураспада (1590 лет), найдем:

Таким образом, за одно и то же время при одинаковой первоначальной массе в сурьме распадается атомов в 67 млн. раз больше, чем у радия. Соответственно этому активность 1 г сурьмы 131 составит 67 млн. кюри, то есть будет такой же, как и у 67 т радия.

Из естественно радиоактивных веществ наиболее активным элементом является полоний, активность одного грамма которого составляет около 4,4 тыс. кюри.

При радиоактивном распаде из атомных ядер непрерывно выделяется энергия, носителем которой являются радиоактивные лучи. Поэтому температура радиоактивных веществ всегда несколько выше температуры окружающего воздуха. Как показал еще Пьер Кюри, один грамм радия в течение часа выделяет около 140 кал (калорий) тепла. Это, конечно, немного. Таким количеством тепла можно нагреть 100 г воды всего лишь на 1,4 градуса. Однако следует иметь в виду, что теплота выделяется радием непрерывно в течение тысяч лет. Поэтому общее количество энергии, которое освободится за время распада, оказывается большим.

Один грамм радия при полном распаде (превращении в радон) выделяет около 490 тыс. ккал (килокалорий) энергии, что примерно равно тому количеству энергии, которое получается при сжигании 70 кг хорошего каменного угля. Обнаружение того, что радиоактивные вещества непрерывно выделяют энергию, впервые показало, что внутри атомных ядер заключены огромные запасы энергии. Поэтому открытие и изучение радиоактивности справедливо считают первым шагом на пути овладения ядерной энергией.

К сожалению, промышленное использование энергии, выделяющейся при радиоактивном распаде, невозможно в силу того, что активность любого радиоактивного вещества со временем падает, вследствие чего средний выход энергии в единицу времени оказывается ничтожным. Так, например, среднечасовой выход энергии при распаде одного грамма радия составляет всего 0,025 калорий.

5. Измерение радиоактивных излучений

Радиоактивные излучения обладают биологическим действием. Вызываемая ими ионизация в живых тканях оказывает вредное влияние на живой организм и может привести к заболеванию. Биологическое действие радиоактивных излучений качественно одинаково с действием рентгеновских лучей. Однако в количественном отношении действие различных видов излучения различно. При одинаковом количестве энергии, поглощенной живой тканью, биологическая эффективность альфа-частиц в 10–20 раз больше, чем у бета-частиц и гамма-лучей, обладающих примерно одинаковой эффективностью воздействия на живой организм.

Но поскольку альфа-лучи сильно поглощаются в самых тонких слоях вещества и поэтому обладают совершенно незначительной проникающей способностью, постольку при внешнем облучении человека биологическое воздействие определяется практически бета- и гамма-лучами.

Действие излучения на живой организм зависит прежде всего от общего количества или дозы поглощенного излучения. Единицей дозы излучения служит рентген (р), заимствованный из практики рентгеновских лучей.

Рентген — это такое количество рентгеновского, или гамма-излучения (доза излучения), которое создает в одном кубическом сантиметре воздуха (при нормальном атмосферном давлении и температуре 0° Ц) 2,083 млрд. пар ионов, несущих одну электростатическую единицу заряда каждого знака. Доза гамма-излучения в 1 р создает около 800 электростатических единиц заряда в каждом грамме воздуха, что соответствует поглощению около 83 эргов энергии на каждый грамм. Примерно столько же энергии при дозе в 1 р получается и в 1 г воды.

Количество альфа- или бета-излучения, эквивалентное по создаваемой ионизации одному рентгену гамма-лучей, и которому, следовательно, соответствует поглощение энергии в 83 эрга на грамм, называется физическим, или практическим, эквивалентом рентгена. Физический эквивалент рентгена служит единицей дозы альфа- и бета-излучения. Таким образом, в конечном счете единицей дозы радиоактивного излучения любого вида служит рентген.

Чтобы лучше себе представить рентген как единицу количества или дозы излучения, приведем несколько примеров.

Ручные часы со светящимся циферблатом имеют около 0,3 микрограмма радиоактивного вещества, излучение которого служит для возбуждения свечения светосостава, покрывающего стрелки и цифры часов. Доза гамма-излучения, проникающего через заднюю стенку корпуса часов и воздействующего на кожу руки, составляет около 0,1 р за сутки.

Радиоактивный элемент активностью 1 кюри, испускающий гамма-лучи, дает на расстоянии 1 м излучение порядка 1 р в час.

Доза рентгеновского излучения, получаемая человеком при рентгеноскопии грудной клетки, составляет несколько рентгенов в минуту.

Действие излучения на живой организм зависит не только от общего количества поглощенного излучения, но также и от характера облучения, то есть от того, происходит ли однократное облучение большой дозой или продолжительное (хроническое) облучение малыми дозами.

Однократное общее облучение дозой, превышающей 200 р, может вызвать заболевание лучевой болезнью. Возможность заболевания лучевой болезнью возрастает с увеличением дозы.

Но та же доза в 200 р не окажет заметного воздействия, если она будет получена за несколько лет. В этом случае количество излучения, поглощаемого каждый день, мало и повреждаемые ткани успевают восстанавливаться.

Радиоактивные излучения не ощущаются непосредственно нашими органами чувств; однако это не помешало науке разработать многочисленные методы их обнаружения и измерения. Быстро развивающаяся область измерительной техники, занимающаяся созданием измерительной аппаратуры и разработкой методов измерения радиоактивных, рентгеновских и иных проникающих излучений, называется дозиметрией. Соответственно этому приборы, используемые для обнаружения проникающих излучений и измерения их дозы, получили собирательное название дозиметрических приборов. В качестве составного элемента дозиметрических приборов, непосредственно воспринимающего излучение, наиболее часто применяются ионизационная камера, газовый счетчик и так называемый сцинтилляционный счетчик.

Ионизационная камера. Ионизационная камера представляет собой воздушный конденсатор K (рис. 11) с двумя электродами (пластинами), к которым присоединяется батарея Б. Эта батарея заряжает один из электродов камеры положительно, а другой — отрицательно.

^{Рис. 11. Принципиальная схема ионизационной камеры}

Зарядив камеру, можно отключить батарею; при хорошей изоляции электродов они сохраняют свой заряд достаточно длительное время, так как воздух в обычном своем состоянии не проводит электричество. Если же камера подвергается действию радиоактивного излучения, то в воздухе между электродами ее возникают ионы. Положительные ионы движутся к отрицательно заряженному электроду, а отрицательные — к положительному. При этом электроды частично разряжаются, вследствие чего напряжение между ними уменьшается. По уменьшению напряжения можно будет судить о количестве излучения, прошедшего через ионизационную камеру.

Простейшей ионизационной камерой описанного типа является школьный электроскоп с листочком алюминиевой фольги (рис. 12). Одним электродом служит корпус прибора, другим — изолированный от корпуса металлический стержень с прикрепленным к нему листочком фольги.

^{Рис. 12. Электроскоп с листочком фольги}

Если с помощью эбонитовой палочки, натертой мехом, или при помощи батареи с достаточно большим напряжением зарядить электроскоп, то листочек фольги отклоняется от стержня.

При воздействии излучения образующиеся в воздухе ионы разряжают электроскоп, отклонение листочка фольги уменьшается. Чем сильнее излучение, тем быстрее спадает листочек. Можно отградуировать электроскоп таким образом, что по уменьшению отклонения алюминиевого листочка за определенное время можно будет определить количество излучения за это время.

Более совершенной является карманная ионизационная камера, применяемая для индивидуального дозиметрического контроля, то есть для определения дозы излучения, получаемой человеком. На рис. 13 показан разрез одной из возможных конструкций такой камеры, похожей по форме и размерам на автоматическую ручку. Она состоит из цилиндрического бакелитового корпуса 1, покрытого изнутри графитом, внутри которого натянута на изоляторах 2 проволока 3. Одним электродом является корпус камеры, другим — проволока. С помощью мембраны 4 камера заряжается до определенного напряжения и кладется в карман. Если данный человек не будет подвергаться действию радиоактивных излучений и если в камере хорошая электрическая изоляция, то напряжение сохранится без изменения. Если же человек подвергался облучению, то ионы, образующиеся в камере, разрядят ее в большей или меньшей мере, о чем можно судить по уменьшению напряжения камеры, измеряемому соответствующим прибором. По разности значений между измеренным напряжением и его начальной величиной можно будет определить количество (дозу) излучения, полученного человеком.

^{Рис. 13. Карманная ионизационная камера}

Можно применять ионизационную камеру, не отключая ее от батареи. В этом случае напряжение между электродами будет оставаться постоянным. В отсутствие радиоактивного излучения воздух, заполняющий камеру, является непроводником электричества, и поэтому ток в цепи батарея — камера будет отсутствовать. При воздействии излучения воздух ионизируется, то есть становится проводником, и в цепи появляется ток, называемый ионизационным током. По силе тока и судят о количестве излучения.

Так как ионизационный ток очень слаб, то для непосредственного его измерения требуется слишком чувствительный прибор. Поэтому этот ток сначала обычно усиливается с помощью усилителя, а уж потом подается для измерения на стрелочный прибор обычного типа.

Описанным здесь способом ионизационные камеры используются в некоторых дозиметрических приборах. Конструкции их могут быть самыми разнообразными. Применяемый усилитель ионизационного тока собирается на электронных лампах, подобных имеющимся в каждом ламповом радиоприемнике.

Газовый счетчик. Если радиоактивное излучение слабое, то вместо ионизационной камеры применяют газовые счетчики, позволяющие обнаружить появление отдельной ионизирующей частицы.

Простейший счетчик представляет собой стеклянный или металлический цилиндр Ц, по оси которого на изоляторах натянута тонкая проволока (рис. 14). Вся эта система наполняется обычно инертным газом (отсюда и само название «газовый счетчик») при давлении в несколько десятков миллиметров ртутного столба.

^{Рис. 14. Газовый счетчик}

Показанный на рис. 14 стеклянный газовый счетчик предназначен для измерения гамма-излучений. Внутренняя поверхность стеклянного цилиндра покрыта тонким слоем металла, который соединяется с отрицательным полюсом батареи высокого напряжения Б. Второй электрод (проволока) присоединяется через большое сопротивление R к положительному полюсу. Напряжение батареи подбирается так, чтобы оно было немного меньше того напряжения, при котором в счетчике может произойти электрический пробой. При таком напряжении в отсутствие ионизирующих частиц тока между электродами счетчика не будет. При попадании же в счетчик такой частицы, образующей внутри его ионы, между электродами возникает разряд, и в цепи протекает ток. Напряжение на счетчике при этом уменьшается вследствие падения напряжения на сопротивлении R, и вспыхнувший разряд гаснет. Таким образом, каждая попавшая в счетчик ионизирующая частица вызывает в нем лишь кратковременный импульс тока, который, протекая по цепи, создает на сопротивлении R импульс напряжения. Этот импульс может быть зафиксирован после надлежащего усиления с помощью обычного микроамперметра или электромеханического счетчика-нумератора.

Газовый счетчик с усилителем электрических импульсов и микроамперметром может быть использован в дозиметрическом приборе. Такой прибор может состоять из двух основных частей — зонда и измерительного пульта, соединенных между собой гибким кабелем. Для счета импульсов на слух прибор может снабжаться головными телефонами.

Сцинтилляционный счетчик. Для обнаружения и измерения проникающих излучений может быть использован метод сцинтилляций, основанный на свойстве частиц радиоактивных лучей вызывать кратковременные точечные вспышки света в некоторых веществах при попадании в них. Для этой цели годятся сернистый цинк, иодистый калий, нафталин, антрацен и другие вещества. Вспышка света, или сцинтилляция, возникает в той точке облучаемого вещества, в которую попадает частица. Подсчитывая число световых вспышек, можно подсчитать тем самым число частиц, ударяющихся в слой вещества. Это свечение по своей природе подобно свечению экрана телевизора, возбуждаемому бомбардирующими его электронами, и называется люминесцентным. На рис. 15 показано устройство простого физического прибора — спинтарископа, позволяющего видеть световые вспышки, возбуждаемые отдельными альфа-частицами. Вблизи от экрана, покрытого люминесцирующим веществом (например, сернистым цинком), укреплена стрелка, на кончике которой находится ничтожное количество соли радия; каждая альфа-частица, попавшая из радия на кристаллик сернистого цинка, вызывает вспышку света, хорошо заметную в темноте сквозь лупу.

^{Рис. 15. Спинтарископ}

Обнаружение отдельных ионизирующих частиц по световым вспышкам — сцинтилляциям, регистрируемым глазом, используется в ядерной физике давно. Этим методом пользовался Резерфорд, установивший существование в атоме ядра. Этим методом было установлено, что 1 г радия испускает каждую секунду 37 млрд. альфа-частиц.

В настоящее время метод сцинтилляций, возрожденный на новой технической основе, используют в так называемых сцинтилляционных, или люминесцентных, счетчиках. В таком счетчике сцинтилляции, возникающие в люминесцирующем экране или кристалле, регистрируются не глазом, а весьма чувствительным к свету прибором — фотоэлектронным умножителем, изобретенным в 1930 г. советским инженером Л. А. Кубецким. Фотоэлектронный умножитель (кратко фотоумножитель) — это прибор в виде небольшого цилиндрического баллона из стекла, заключающего в себе фотоэлемент с фотокатодом и ряд электродов — эмиттеров, образующих собственно электронный умножитель.

Вспышка света (сцинтилляция) вызывает в фотоэлементе слабый импульс электрического тока, который затем усиливается в умножителе. Для усиления тока пользуются тем обстоятельством, что каждый электрон, испущенный фотокатодом, ударяясь о поверхность ближайшего электрода-эмиттера, выбивает из него при соответствующих условиях до десяти новых (вторичных) электронов. На эмиттере происходит таким образом «умножение» числа электронов и соответственно усиление тока. Это умножение многократно повторяется благодаря тому, что поток электронов с первого эмиттера направляется на второй эмиттер, затем на третий, четвертый и т. д. В результате слабый ток, первоначально вызванный сцинтилляциями в фотоэлементе, усиливается в несколько миллионов раз. После такого усиления импульсы тока можно уже регистрировать с помощью микроамперметра или какого-либо другого прибора подобно тому, как это делается в схемах с газовыми счетчиками. Простейшая блок-схема сцинтилляционного счетчика приведена на рис. 16.

^{Рис. 16. Простейшая блок-схема сцинтилляционного счетчика}

Сцинтилляционные счетчики отличаются весьма высокой чувствительностью к различным видам проникающего излучения и имеют ряд других достоинств, благодаря которым они получают в настоящее время широкое применение в дозиметрических приборах.

Расскажем коротко о приборах радиационной разведки и дозиметрического контроля.

Приборами радиационной разведки и дозиметрического контроля являются индикаторы радиоактивности, рентгенометры, радиометры и собственно дозиметры.

Индикатор радиоактивности предназначен для обнаружения радиоактивного заражения местности. Основными частями индикатора обычно являются: генератор переменного тока с ручным приводом, две неоновые лампы (лампа стабилизатора напряжения — красная и индикаторная лампа— белая) и газовый счетчик.

Для включения такого индикатора достаточно привести в действие генератор переменного тока путем периодических нажатий на рычаг. Частота нажатия на рычаг выбирается такой, чтобы получить непрерывное свечение лампы стабилизатора напряжения. Если при работе прибора индикаторная лампа не дала ни одной вспышки, значит, местность не заражена радиоактивными веществами.

Появление отдельных вспышек индикаторной лампы свидетельствует о наличии заражения с уровнем радиации 0,01–0,5 р в час. Чем больше уровень радиации, тем чаще вспыхивает индикаторная лампа. При уровнях радиации свыше, например, 0,5 р в час она светится непрерывно.

Рентгенометр предназначен для измерения уровней радиации в зараженных районах. Основные части рентгенометра: ионизационная камера, усилитель постоянного тока, электроизмерительный прибор (микроамперметр) и источники питания. Принцип действия рентгенометра заключается в следующем. При воздействии бета- и гамма-излучения на ионизационную камеру в цепи камеры возникает ионизационный ток, который затем усиливается и измеряется микроамперметром.

Показания микроамперметра пропорциональны величине тока, возникающего в ионизационной камере, а следовательно, пропорциональны уровням радиации. Некоторые образцы рентгенометров позволяют измерять уровни радиации от 0,2 до 400 р в час.

Радиометр служит для определения степени радиоактивного заражения поверхностей различных объектов, продовольствия, воды, а также обмундирования и кожных покровов людей после выхода их из зараженного района.

Кроме того, радиометр может быть использован для измерения небольших уровней гамма-излучения.

Зараженность различных предметов измеряют количеством распадов радиоактивных веществ на 1 см² поверхности предмета в 1 минуту. Некоторые образцы радиометров позволяют измерять зараженность предметов до 1 000 000 распадов на 1 см² в 1 минуту.

Радиометр применяется главным образом для контроля зараженности людей, оружия, техники и имущества на пунктах специальной обработки. При помощи его можно измерять также небольшие уровни гамма-излучения (до 0,02 р в час), что позволяет использовать радиометр для ведения радиационной разведки местности, например, с самолета.

Основные части радиометра; газовый счетчик, усилитель электрических импульсов, преобразователь импульсов, электроизмерительный прибор и источники питания.

Принцип действия радиометра заключается в следующем. При воздействии на счетчик бета-частиц и гамма-лучей в цепи счетчика возникают электрические импульсы, которые после предварительного усиления подаются на специальный элемент схемы (преобразователь импульсов), где они преобразуются в постоянный ток. Величина этого тока, пропорциональная количеству бета-частиц и гамма-лучей, воздействующих на счетчик, измеряется микроамперметром.

Конструктивно многие образцы радиометров выполнены в виде двух узлов — зонда и пульта, соединенных между собой гибким кабелем. Для ведения слухового контроля радиометр снабжается головными телефонами.

Во время измерений пульт радиометра находится на груди, а зонд в руке. Для обследования зараженной поверхности зонд радиометра подносят к ней на расстояние 1–2 см и слушают сигналы в телефонах. Непрерывный треск в телефонах означает, что поверхность предмета заражена. Степень заражения предмета определяется по шкале прибора.

Дозиметр предназначен для измерения суммарной дозы облучения, полученной человеком за время пребывания на зараженной местности.Действие дозиметра основано на измерении уменьшения первоначального напряжения (заряда) камеры под воздействием радиоактивных излучений.

Для контроля облучения личного состава подразделения используется обычно так называемый дозиметрический комплект. В некоторых образцах он состоит из 200 индивидуальных ионизационных камер, аналогичных по конструкции карманной ионизационной камере, описанной выше, и зарядно- измерительного пульта. Камеры имеют небольшие размеры и помещаются в кармане гимнастерки.

Камеры позволяют измерять дозы от нуля до 50 р.

(обратно)

III. СТРОЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА

1. Состав атомного ядра

Явление радиоактивности, с которым мы познакомились в предыдущей главе, впервые ясно показало, что ядра атомов имеют сложное строение и что в природе происходят превращения ядер одних химических элементов в ядра других элементов.

Явление радиоактивности интересно также и в другом отношении. Альфа-частицы, испускаемые ядрами атомов некоторых радиоактивных элементов, движутся с огромной скоростью, достигающей 20–25 тыс. км в секунду, и обладают в силу этого большой кинетической энергией. Поэтому естественно возникла мысль: используя альфа-частицы радиоактивных веществ в качестве «снарядов» и обстреливая ими атомы, проникнуть внутрь атомных ядер и разрушить их. Такую попытку предпринял Резерфорд, подвергнувший обстрелу альфа-частицами атомы азота. Это была «неприцельная стрельба» вслепую. Попасть в этих условиях в невидимое ядро атома азота — это все равно, что, стреляя из орудия, поразить невидимую мишень, расположенную где-то на площади в 1 км². Продолжая методически обстрел в течение длительного времени, Резерфорду удалось в 1919 г. впервые в истории физики искусственно расщепить ядро. Оказалось, что ядро азота при попадании в него альфа-частицы превращается в ядра кислорода и водорода.

Обстреливая альфа-частицами атомы нерадиоактивных элементов, супруги Фредерик и Ирен Жолио-Кюри открыли в 1934 г. искусственную радиоактивность. Жолио-Кюри установили, что в результате проникновения альфа-частиц в ядра алюминия, бора, магния и других веществ образуются радиоактивные ядра, отсутствующие в природе.

«Ядерная» артиллерия сыграла решающую роль в изучении состава атомного ядра.

Обстреливая атомы различных элементов быстрыми частицами, удалось установить, что в ядрах всех атомов имеются протоны, то есть ядра атомов водорода с массой, приблизительно равной атомной единице, и с единичным положительным зарядом. Точнее, масса протона по современным данным равна 1,00759 а.е.м.

Первоначально предполагалось, что, помимо протонов, в состав ядра входят еще и электроны и что ядра всех атомов построены из протонов и электронов. Однако позже выяснилось, что такое предположение неправильно и противоречит ряду опытных фактов. Современное учение о строении атомного ядра зародилось в 1932 г. Непосредственным толчком к его возникновению послужило открытие в 1932 г. английским физиком Чадвиком новой, неизвестной до того времени «элементарной» частица — нейтрона.

Нейтрон — нейтральная, то есть не имеющая электрического заряда, частица с массой, равной приблизительно массе протона. Точное значение массы нейтрона равно 1,00898 а.е.м., что превосходит массу протона на 2,5 массы электрона.

Благодаря отсутствию электрического заряда нейтрон не производит ионизации атомов, мимо которых он пролетает, и поэтому может свободно проникать через толстые слои вещества. Не имея заряда и не испытывая вследствие этого действия сил электрического отталкивания со стороны положительно заряженных ядер, нейтрон способен проникать в глубь самых тяжелых ядер и поэтому является наилучшей частицей для их обстрела и последующего расщепления.

В том же 1932 г., когда был открыт нейтрон, советский физик Д. Д. Иваненко первым выдвинул идею о том, что ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов. Протонно-нейтронная теория строения ядра, развитая в работах советских и зарубежных физиков, является в настоящее время общепризнанной.

Число протонов в ядре атома какого-либо химического элемента равно числу «элементарных» зарядов ядра, то есть порядковому номеру этого элемента Z в периодической системе Менделеева (атомному номеру).

Общее же число протонов и нейтронов в ядре атома равняется его атомному весу А, округленному до целых единиц, то есть массовому числу. Отсюда нетрудно сообразить, что разность между массовым числом атома А и его атомным номером Z дает число нейтронов в ядре N=А-Z. Протоны и нейтроны, составляющие ядро, обычно называют нуклонами.

Самое простое ядро — ядро атома легкого водорода (протия) — состоит из одного протона. Все остальные ядра, помимо протонов, имеют и нейтроны. В ядре атома гелия, массовое число которого равно 4, имеется два протона и два нейтрона. В ядре наиболее распространенных атомов кислорода содержится 8 протонов и 8 нейтронов (массовое число 16).

В ядрах легких элементов число протонов обычно равно числу нейтронов. Ядра средних и тяжелых элементов имеют избыток нейтронов. Наиболее тяжелое из существующих в природе ядер — ядро урана с массовым числом 238 содержит 92 протона и 146 нейтронов. Состав атомных ядер некоторых элементов показан схематически, без соблюдения масштаба, на рис. 17.

^{Рис. 17. Состав некоторых атомных ядер}

Ядра атомов различных химических элементов обозначаются значками, присвоенными этим элементам в химии. Справа сверху от этого знака ставится общее число нуклонов в ядре, то есть массовое число, а снизу слева — число протонов, то есть атомный номер. Соответственно этому ядро обычного водорода обозначается ₁H¹, гелия — ₂He⁴, кислорода — ₈O¹⁶, урана ₉₂U²³⁸ и т. д.

Число протонов в ядре атома какого-либо элемента полностью определяет химические свойства этого элемента, его химическую принадлежность. До тех пор пока число протонов в ядре остается неизменным, атом данного химического элемента остается атомом этого элемента. При нормальном состоянии атома число электронов в его оболочке, окружающей ядро, равно числу протонов в ядре. Ионизация атома, то есть удаление из его оболочки одного или нескольких электронов, не затрагивает ядра: ядро остается при этом неизменным.

Нейтрон может превратиться в протон и наоборот. Подобные превращения бывают в распадающихся ядрах радиоактивных элементов, испускающих бета-частицы.

Превращение одного из нейтронов ядра в протон сопровождается рождением электрона и маленькой нейтральной частички — нейтрино, которые тотчас же и выбрасываются из ядра с огромной скоростью. Этот новорожденный электрон и представляет собой известную нам бета-частицу. Образование бета-частицы и нейтрино происходит за счет той избыточной массы, которой обладает нейтрон по сравнению с протоном. Превращение нейтрона в протон наблюдается в тех ядрах, которые имеют избыток нейтронов, то есть имеют их больше, чем это требуется для устойчивого существования ядра. Подобное же самопроизвольное превращение испытывает и свободный нейтрон, находящийся вне ядра.

Превращение свободного протона в нейтрон обычно в природе не наблюдается, поскольку масса протона меньше массы нейтрона, и не обеспечивает такого превращения. Но, находясь внутри ядра, протон может превратиться в нейтрон. Такое превращение наблюдается в ядрах некоторых искусственно радиоактивных веществ, получаемых путем бомбардировки разных нерадиоактивных материалов быстрыми частицами. В ядрах атомов этих веществ слишком мало нейтронов, а протонов имеется в избытке. В этом случае один из протонов ядра, получивший добавочную массу и энергию за счет бомбардирующих частиц, может превратиться в нейтрон, испуская положительный электрон (позитрон) и нейтрино.

Возможен и второй путь превращения протона в нейтрон. Протон может захватить один из электронов атома, вращающихся вокруг ядра, и стать в результате этого нейтроном. Чаще всего происходит захват электрона из ближайшего к ядру слоя K электронной оболочки. Вследствие этого такой процесс получил название Л-захвата. Представление о том, что электроны и протоны рождаются в ядре в результате превращения протонов и нейтронов друг в друга, было выдвинуто и обосновано Д. Д. Иваненко.

2. Атомы-изотопы

Ядра атомов какого-либо элемента при строго определенном числе протонов, равном атомному номеру элемента, могут иметь различное число нейтронов и, следовательно, различный вес. Атомы данного элемента, имеющие разный вес вследствие различия в числе нейтронов, называются изотопами этого элемента. Само слово «изотоп» происходит от греческого: «изос» — равный и «топос» — место. Следовательно, буквально изотопы — это атомы, занимающие в периодической системе Менделеева одинаковое место.

В настоящее время известны изотопы у всех химических элементов. Многие элементы имеют по нескольку изотопов.

Так, например, у водорода известны три изотопа. Обычный легкий водород — протий — ₁Н¹, ядра его — протоны. В 1932 г. был обнаружен второй изотоп водорода — тяжелый водород (дейтерий — ₁D²), который присутствует в природном водороде в количестве около 0,02%. Ядро тяжелого водорода, называемое дейтероном, имеет один протон и один нейтрон. Вода, молекулы которой построены по известной формуле химии из атомов тяжелого водорода и обычного кислорода, называется тяжелой водой. Тяжелая вода присутствует в природной воде в малом количестве. По своим физическим свойствам она несколько отлична от обыкновенной воды: замерзает тяжелая вода при +3,8° Ц, кипит при +101,4°.

Третий изотоп водорода — сверхтяжелый водород, или тритий (₁Т³). Ядра его — тритоны — построены из одного протона и двух нейтронов. Тритоны радиоактивны и распадаются, испуская бета-частицу (электрон). Строение атомов изотопов водорода показано на рис. 18.

^{Рис. 18. Строение атомов изотопов водорода}

Большое значение в ядерной физике имеют изотопы урана, различающиеся тремя нейтронами: уран 235, в ядрах которого по 92 протона и 143 нейтрона, и уран 238, в ядрах которого по 92 протона и 146 нейтронов. Физические свойства этих изотопов урана несколько различны в силу различия в числе нейтронов.

Большинство известных в настоящее время изотопов получается искусственным путем по методу «ядерной» артиллерии.

3. «Капельная» модель ядра

Все протоны и нейтроны в атомном ядре удерживаются друг около друга особыми ядерными силами притяжения. Эти силы имеют сложную природу, которая к настоящему времени изучена еще недостаточно. Ясно только, что ядерные силы не похожи на силы всемирного тяготения и на электрические силы и уменьшаются с увеличением расстояния между взаимодействующими нуклонами значительно быстрее и тех и других. Ядерные силы действуют лишь в самом ядре, имея там огромную величину, и в непосредственной близости от него. С увеличением расстояния между частицами ядра (нуклонами) ядерные силы настолько быстро уменьшаются до нуля, что радиус их действия не превосходит 7∙10^-13 см.

В этом отношении ядерные силы напоминают собой силы молекулярного сцепления в капле жидкости, которые удерживают молекулы жидкости друг около друга и стремятся придать капле сферическую форму как наиболее устойчивую.

Учитывая характер изменения ядерных сил с расстоянием и ряд других фактов, относящихся к ядру, Я. И. Френкель в СССР и Дж. Уилер за рубежом предложили «капельную» модель ядра. Согласно этой модели атомное ядро подобно положительно заряженной капле жидкости очень большой плотности и построено из нуклонов (протонов и нейтронов) наподобие того, как капля жидкости построена из молекул.

В капле жидкости действуют силы молекулярного сцепления, придающие капле сферическую форму. Помимо этого, в заряженной капле между одноименно заряженными частицами действуют силы электрического отталкивания, стремящиеся разорвать каплю. Подобно этому и внутри атомного ядра действуют силы двоякого рода: помимо ядерных сил притяжения, связывающих все нуклоны воедино, там действуют еще электрические силы отталкивания между положительно заряженными протонами. Ядерные силы внешне подобны силам молекулярного сцепления в жидкости и придают ядру сферическую форму как наиболее устойчивую.

Атомные ядра отличаются обычно большой прочностью (устойчивостью), так как ядерные силы притяжения в десятки миллионов раз больше электрических сил отталкивания, действующих в ядре между протонами.

Капельная модель позволяет рассматривать процесс искусственного расщепления атомных ядер быстрыми частицами — «снарядами» — следующим образом. Кинетическая энергия частицы, попавшей в ядро, перераспределяется между всеми нуклонами ядра благодаря тесному взаимодействию между ними. Ядро приходит от этого в возбужденное состояние, что аналогично нагреванию капли жидкости. Поэтому можно, как впервые показал советский физик Л. Д. Ландау, условно говорить о «температуре» ядра и ее повышении за счет энергии попавшего в ядро «снаряда». В результате этого частица или группа частиц возбужденного ядра, составляющих новое ядро, может вылететь за его пределы подобно тому, как вылетают молекулы жидкости при ее испарении.

В свете сказанного процесс расщепления ядра атома азота альфа-частицей, осуществленный Резерфордом, можно рассматривать следующим образом. При удачном попадании быстрая альфа-частица проникает внутрь ядра атома азота и захватывается им. В результате получается составное или промежуточное ядро в сильно возбужденном («нагретом») состоянии. В последующее время это возбужденное ядро, выбрасывая («испаряя») протон (ядро водорода), превращается в ядро кислорода с атомным весом 17. Схематически этот процесс показан на рис. 19.

^{Рис. 19. Схема превращения азота в кислород}

Для объяснения некоторых свойств атомных ядер пользуются также так называемой «оболочечной» моделью ядра. Согласно этой модели протоны и нейтроны движутся внутри ядра вокруг некоторой средней точки, образуя слои (оболочки), подобно тому как электроны в атоме движутся вокруг ядра, располагаясь слоями.

(обратно)

IV. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ

1. Закон сохранения материи и ее движения

Ядро — самая тяжелая часть атома и заключает в себе почти всю его массу. На долю легких электронов приходится менее 0,05% всей массы атома.

Соответственно этому распределяется в атоме и энергия. Почти вся энергия, скрытая в атоме, заключена (сосредоточена) внутри его ядра; на долю электронной оболочки приходится менее 0,05% всей энергии атома. Такое заключение о распределении энергии в атоме вытекает из закона взаимосвязи массы и энергии и подтверждается практикой.

Как известно, энергия и масса являются свойствами материи. Масса — физическая величина, характеризующая инерцию материи, то есть свойство ее сохранять состояние своего движения при отсутствии внешних воздействий. Энергия — это мера физического движения материи во всех ее формах. К такому пониманию энергии наука пришла не сразу.

Еще около 200 лет назад М. В. Ломоносов сформулировал закон сохранения материи и ее движения (закон Ломоносова), согласно которому «все перемены, в натуре (природе. — В. М.) случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего от одного тела отнимется, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… Сей всеобщий естественной закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Этими словами Ломоносов утверждал неуничтожимость материи и ее движения. Одним из частных проявлений всеобщего закона Ломоносова был экспериментально установленный им самим закон сохранения вещества (массы). Значительно позже, лишь в XIX веке, в связи с развитием производства, складывается в науке понятие об энергии. Широкое использование в промышленности тепловой энергии и начавшееся овладение электрической энергией привело немецких физиков Р. Майера и Г. Гельмгольца и английского физика П. Джоуля к открытию в середине XIX века закона сохранения и превращения энергии. Согласно этому закону энергия в вечном круговороте материи не исчезает и не создается вновь, а лишь превращается из одной формы в другую. Этот закон подтвердил гениальное предвидение Ломоносова о переходе одних видов движения в другие и явился дальнейшим развитием и конкретизацией его закона.

С помощью понятия энергии физика выражает неуничтожимость движения материи, его способность к бесконечным превращениям из одной формы в другую.

Открытие в дальнейшем закона сохранения электрического заряда и, наконец, закона взаимосвязи массы и энергии еще полнее раскрыло глубочайшее содержание всеобщего закона природы, усмотренного Ломоносовым.

Современная физика научно доказала, что в природе нет нематериального движения, то есть движения без материи, как нет и не может быть материи без движения. Материя и движение неразрывно связаны между собой, неотделимы друг от друга. Отражением этой объективно существующей связи материи и ее движения является закон взаимосвязи массы и энергии, указанный в 1905 г. выдающимся немецким физиком А. Эйнштейном.

Если массу любого материального объекта в граммах обозначить через m, а его полную энергию в эргах — через E, то этот закон выразится формулой

Е=mc², (2)

где с — скорость света в пустоте, составляющая 30 миллиардов сантиметров в секунду (3∙10¹⁰ см/сек).

Пользуясь этой формулой, можно подсчитать, какая энергия заключена в кусочке вещества, обладающем массой, например в 1 г:

Е=mс²=1∙(3∙10¹⁰)²=9∙10²⁰ эргов,

что составляет около 21 млрд. ккал. Такое количество энергии могло бы обеспечить работу установки мощностью в 1 тыс. л.c. в течение 4 лет. Как видим, с очень небольшой массой связана огромная скрытая в материи энергия.

По отношению к свету, являющемуся одной из форм материи, с несомненностью установлено, что именно соотношением (2) связаны между собой энергия и масса света. Существование такой связи вытекает из классических опытов П. Н. Лебедева по световому давлению. Опыты Лебедева показывают, что материальные частицы света — фотоны, падая на поверхность освещаемого тела, производят на него давление точно так же, как и молекулы газа, бомбардирующие стенки сосуда. Полная энергия фотона в соответствии с формулой (2) равна его массе, умноженной на квадрат скорости света.

По отношению к обычной материи, то есть к веществу, пока установлено, что всякое изменение энергии тела на Е эргов сопровождается одновременным изменением массы на m граммов по формуле (2). Если, например, изменение энергии тела происходит путем передачи ее другому телу, то одновременно с этим совершается передача второму телу и соответствующей массы. По уменьшению массы первого тела, пользуясь формулой (2), можно определить количество переданной энергии. При этом, как это видно из приведенного выше расчета, малым изменениям массы соответствуют огромные изменения энергии.

Закон взаимосвязи массы и энергии составляет основу энергетических расчетов современной ядерной физики.

2. Что такое ядерная энергия

Часть энергии, заключенной в электронной оболочке атомов, выделяется при излучении атомами света и особенно в химических реакциях. Химические реакции, происходящие при горении топлива и взрыве обычных взрывчатых веществ, являются пока основным источником энергии для человечества.

Трудами многих ученых, среди которых выдающуюся роль сыграли работы А. М. Бутлерова, было установлено, что в химических реакциях молекулы одних сложных веществ превращаются в молекулы других веществ. При этом изменяются (перестраиваются) лишь электронные оболочки атомов, а ядра остаются неизменными.

Химические реакции могут происходить как с выделением энергии и соответствующей массы, так и с их поглощением. Энергия, которая выделяется в химических реакциях, называется химической.

В химической реакции взрыва 1 кг тротила (тола) выделяется немногим больше тысячи килокалорий химической энергии, превращающейся при взрыве в другие формы энергии. Из 1 кг хорошего каменного угля, сжигая его, мы можем получить в виде тепла до 7000 ккал энергии. Килограмм нефти дает до 11 000 ккал.

Значительно большие количества энергии могут быть получены из атомных ядер, поскольку запасы энергии в них превосходят во много раз энергию электронных оболочек.

Для освобождения химической энергии дерева, угля, нефти людям пришлось в свое время научиться зажигать их, то есть вызывать в них химические реакции, в которых изменяются электронные оболочки атомов. Для использования энергии атомных ядер нужно научиться осуществлять ядерные реакции, в которых изменялись бы сами ядра.

Ядерные реакции — это процессы превращения атомных ядер, в которых происходит изменение (перестройка) самих ядер: протоны и нейтроны перегруппировываются в более сложные ядра, либо, наоборот, сложные ядра распадаются на более простые. При ядерных превращениях происходит либо выделение энергии и массы, либо их поглощение. Энергию, которая выделяется в ядерных реакциях, принято называть атомной, или ядерной.

Количество ядерной энергии, выделяющейся на каждый грамм вещества в используемых в настоящее время реакциях, превышает в миллионы раз химическую энергию, освобождающуюся при сжигании одного грамма лучшего топлива.

Впервые с ядерными реакциями человечество познакомилось около 50 лет назад при изучении радиоактивности. Распад ядер радиоактивных атомов представляет собой пример естественной самопроизвольно протекающей ядерной реакции с выделением части энергии, заключенной в ядрах. Поэтому открытие и изучение радиоактивности справедливо считают первым шагом на пути овладения ядерной энергией.

Вторым важным этапом было осуществление, начиная с 1919 г., многочисленных искусственных ядерных реакций. Изучение реакций, происходящих при бомбардировке нейтронами тяжелых элементов, привело к открытию в 1939 г. ядерных процессов, лежащих в основе современных методов получения ядерной энергии.

Для получения ядерной энергии пришлось научиться управлять ядерными реакциями, то есть научиться искусственно вызывать их, регулировать скорость в необходимом для нас направлении и, наконец, прекращать (останавливать) их в нужный момент времени.

Остановимся на основных путях получения ядерной энергии.

3. Возможные пути получения ядерной энергии

Так как между протонами и нейтронами, составляющими ядро, действуют ядерные силы притяжения, то нетрудно понять, что при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны нужно совершить работу против ядерных сил и, следовательно, затратить некоторую энергию. В обратном процессе при образовании ядра из нуклонов такая же энергия выделяется.

Известно, что при поднимании тела над землей приходится совершать работу против силы тяготения и, следовательно, затрачивать энергию. При падении тела на землю эта энергия превращается в кинетическую и выделяется в виде, например, тепла при ударе тела о землю.

Есть некоторое сходство между этим примером и значительно более сложным явлением образования ядра. Подобно тому, как при падении тела на землю происходит выделение энергии, то есть превращение ее из одной формы в другую, так и при образовании ядра из свободных протонов и нейтронов (так сказать при падении их друг на друга) также происходит выделение энергии, то есть превращение части атомной энергии в другие виды.

Энергию, которая выделяется при соединении протонов и нейтронов в ядро, называют обычно энергией связи, или энергией образования ядра. Энергию связи атомных ядер всех химических элементов можно вычислить, пользуясь законом взаимосвязи массы и энергии.

Рассчитаем для примера величину энергии связи ядра гелия. Масса протона равна 1,008 а.е.м., а масса нейтрона — 1,009 а.е.м. Суммарная масса двух протонов и двух нейтронов, необходимых для образования ядра гелия, следовательно, равна 4,034 а.е.м. С другой стороны, измерение массы «построенного» ядра гелия, существующего в природе, показывает, что величина ее меньше и равна 4,003 а.е.м. Налицо «дефект» (убыль) массы, равный m=4,034-4,003=0,031 а.е.м. Следовательно, при образовании ядра гелия выделяется и передается окружающей среде масса, равная 0,031 а.е.м. По выделившейся массе и определяется выделившаяся энергия. Так как 1 а.е.м. равна 1,66∙10^-24 г, то, умножая 0,031 на 1,66∙10^-24, а затем на 9∙10²⁰, согласно формуле (2) найдем

Е= mc²=0,031∙1,66∙10^-24∙9∙10²⁰= 44,09∙10^-6 эрга.

Умножая эту величину на число атомов, содержащихся в грамме гелия^[6] можно определить удельную энергию связи, то есть энергию, выделяющуюся при образовании одного грамма данного вещества.

Расчет показывает, что для гелия удельная энергия связи составляет около 165 млн. ккал на 1 г.

Аналогичным образом по уменьшению массы соединяющихся в ядро протонов и нейтронов можно рассчитать удельную энергию связи каждого химического элемента. Построенная по таким данным кривая зависимости удельной энергии связи от атомного веса приведена на рис 20.

^{Рис. 20. Энергия связи атомных ядер}

Чем ниже на этой кривой лежит точка, соответствующая тому или другому элементу, тем больше энергия связи. Из рисунка видно, что самая большая энергия связи у железа и никеля. Это значит, что при образовании ядер атомов этих элементов выделяется наибольшая энергия. Ядра атомов, расположенных в начале и в конце периодической таблицы, образуются с меньшим выделением энергии.

Кривая энергии связи дает наглядное представление об относительной прочности (устойчивости) атомных ядер. Чем прочнее ядро, тем больше надо затратить энергии на работу против ядерных сил притяжения при расщеплении ядра на составляющие его протоны и нейтроны. Необходимая для этого энергия равна как раз энергии связи ядра. Поэтому чем больше энергия связи ядра, тем прочнее (устойчивее), вообще говоря, данное ядро.

Наибольшей относительной прочностью, или устойчивостью, обладают ядра атомов железа и никеля.

Для освобождения ядерной энергии совсем не обязательно осуществлять синтез ядер из протонов и нейтронов. Выделения энергии можно достичь, осуществляя такие ядерные реакции, в которых ядра атомов некоторого элемента превращаются в ядра какого-либо другого элемента, обладающие большей устойчивостью и имеющие соответственно большую энергию связи.

Поясним сказанное примером. Из кривой рис. 20 видно, что удельная энергия связи урана с атомным весом 235 составляет около 173 млн. ккал. С другой стороны, удельная энергия связи для элементов среднего веса (олово и др.) составляет приблизительно 194 млн. ккал. Если же осуществлять ядерную реакцию, в которой ядра олова и соседних с ним элементов будут образовываться не из протонов и нейтронов, а путем деления более тяжелых ядер урана, то при этом будет выделяться около 21 млн. ккал на каждый грамм вещества. Выделяющаяся энергия равна разности энергий связи конечных и исходных элементов. Обратная реакция, то есть соединение ядер среднего веса в ядра урана, потребует затраты такого же количества энергии и поэтому не годится для получения ее.

Использование реакций, в которых тяжелые ядра распадаются на менее тяжелые ядра среднего веса, представляет первый возможный путь выделения атомной энергии. Чем тяжелее исходные ядра, тем больше энергии будет получаться.

Второй путь заключается в использовании реакций соединения очень легких ядер в более тяжелые ядра. Чем легче соединяющиеся ядра, тем больше энергии может быть получено при таких реакциях.

Рассмотрим, например, возможную реакцию слияния ядер дейтерия и трития, в результате которой получаются ядро гелия и один свободный нейтрон. Соответственно тому, что атомный вес дейтерия равен двум, а трития — трем, в этой реакции из 2 г дейтерия и 3 г трития образуется 4 г гелия и 1 г нейтронов. При этом выделяется около 100 млн. ккал энергии на каждый грамм гелия. Действительно, удельная энергия связи, как это видно из кривой рис. 20, для дейтерия равна 25, а для трития — 64 млн. ккал. Следовательно, энергия, выделяющаяся при образовании 2 г дейтерия и 3 г трития, составит 25∙2+64∙3=242 млн. ккал. Удельная энергия связи для гелия равна, как известно, 165 млн. ккал. Следовательно, при образовании 4 г гелия из протонов и нейтронов выделится 165∙4=660 млн. ккал. В случае же образования гелия из дейтерия и трития выделится 660–242=418 млн. ккал, что и дает около 100 млн. ккал на каждый грамм гелия.

* * *

Указанные выше основные пути получения энергии атомных ядер ныне практически реализуются: первый — в реакции деления тяжелых ядер урана или плутония, второй — в термоядерной реакции с водородом.

(обратно)

V. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

1. На пути овладения ядерными реакциями

Как известно из вышеизложенного, ядерными реакциями называются превращения атомных ядер одного химического элемента в ядра какого-либо другого элемента.

От открытия ядерных реакций, самопроизвольно протекающих при радиоактивном распаде некоторых элементов в природе, до практического осуществления ядерных реакций с целью получения ядерной энергии наука прошла почти полувековой путь.

Важным этапом здесь было изучение искусственных ядерных реакций, производимых по методу «ядерной» артиллерии. Обстреливая атомы различных элементов быстрыми частицами (альфа-частицами, протонами, дейтеронами и т. п.), ученым удалось осуществить в лабораторных условиях тысячи различных ядерных превращений, в которых из одних химических элементов получались другие элементы.

Тем самым ученые XX века решили практически задачу, которую еще в годы открытия периодического закона поставил Д. И. Менделеев. Говоря о химических превращениях (превращениях молекул), Менделеев указывал: «Все учение химии состоит в учении о свойствах элементов. Цель и задача — превратить один в другой — это будет дальше».

Над превращением элементов безуспешно бились средневековые алхимики, стремившиеся получить золото, серебро и другие драгоценные металлы из дешевых свинца, ртути и меди. Но только ученые XX века, изучив свойства атомов и их ядер и овладевая ядерными реакциями, научились осуществлять подобные превращения. И атомы ртути и свинца могут быть средствами современной физики превращены в атомы золота и серебра. В ядре, например, атома ртути 80 протонов. Можно выбить один из них. Мы получим тогда ядро с 79 протонами. Это будет ядро атома золота. Но только золото, добываемое подобным способом, обходится чрезвычайно дорого. Поэтому такой способ производства золота пока не имеет практического значения.

Для обстрела атомных ядер с целью вызвать их превращения нужны очень быстрые частицы. Длительное время единственным источником таких частиц были естественные радиоактивные вещества, испускающие альфа-частицы (ядра гелия). Но альфа-частицы, как и всякие ядра, имеют положительный электрический заряд. Поэтому при приближении к обстреливаемому ядру, также положительно заряженному, альфа-частица испытывает действие силы электрического отталкивания тем большее, чем больше заряд ядра.

Вследствие этого энергии альфа-частиц, испускаемых радиоактивными веществами, хватает лишь для расщепления ядер легких атомов. От более тяжелых ядер природные альфа-частицы отталкиваются, не проникая внутрь их.

Для увеличения скорости заряженных частиц-«снарядов» были созданы весьма сложные установки — ускорители, в которых альфа-частицы, протоны, дейтероны и другие заряженные частицы разгонялись до громадных скоростей и, значит, энергий.

Первые установки такого рода были созданы английскими физиками Кокрофтом и Уолтоном, а затем и советскими физиками Синельниковым и Вальтером, сумевшими получить с помощью этих установок быстрые протоны.

Протоны в качестве «снарядов» для обстрела атомных ядер имеют серьезное преимущество перед альфа-частицами. Оно заключается в том, что заряд у протона в 2 раза меньше заряда альфа-частицы. Вследствие этого сила отталкивания, испытываемая протоном при его приближении к обстреливаемому ядру, будет в 2 раза меньше силы, которую испытывает альфа-частица. Поэтому протону легче проникнуть в ядро и вызвать его превращение. Обстреливая быстрыми протонами атомы лития, Д. Кокрофт и Э. Уолтон в Англии осуществили в 1932 г. расщепление его ядра на две альфа-частицы. Ядро лития с атомным весом 7, захватив попавший в него протон, возбуждается («нагревается») и затем распадается на две альфа-частицы (два ядра гелия), разлетающиеся в прямо противоположных направлениях с большой скоростью.

Освобождаемая в этой реакции ядерная энергия переходит в кинетическую энергию быстро движущихся альфа-частиц. Величина ее оказывается большой и составляет около 17,2 Мэв на каждое ядро лития. Если бы можно было таким способом расщепить 1 г лития, то выделившаяся энергия составила бы около 56 млн. ккал.

Расщепление лития быстрыми протонами было первой искусственной ядерной реакцией, в которой освобождалось большое количество ядерной энергии. Это указывало на принципиальную возможность получения ядерной энергии с помощью искусственно вызываемых превращений атомных ядер.

Важную роль в развитии ядерной физики сыграл циклический ускоритель заряженных частиц — циклотрон, предложенный и построенный американским физиком Э. Лоуренсом в 1932 г. В этом ускорителе разгоняемые частицы движутся по круговой траектории с постепенно увеличивающимся радиусом, делая определенное, строго постоянное число оборотов, или циклов, в каждую секунду (отсюда и само название циклический ускоритель, или циклотрон). При помощи циклотрона протоны можно разогнать до скоростей, соответствующих энергии в 10 Мэв, имея переменное электрическое напряжение, измеряемое всего лишь тысячами вольт. Именно с циклотрона начинается фактически история современных ускорителей.

Позже были созданы ускорители, с помощью которых можно получать заряженные частицы с энергией в сотни и даже тысячи миллионов электрон-вольт. Это удалось осуществить, используя методы, разработанные советским физиком членом-корреспондентом Академии наук СССР В. И. Векслером в 1944 г. и независимо от него американским физиком Мак-Миланом в 1945 г. Ускоритель, в котором используется один из методов Векслера, называется синхроциклотроном, или фазотроном. Крупнейшим в мире ускорителем этого типа является синхроциклотрон, построенный в 1949 г. в Институте ядерных проблем Академии наук СССР. Это — крупное инженерное сооружение, внешний вид которого дан на рис. 21. Синхроциклотрон позволяет ускорять протоны до энергий 680 Мэв.

^{Рис. 21. Внешний вид синхроциклотрона}

Эта установка вместе с другим оборудованием передана Советским государством в 1956 г. Объединенному институту ядерных исследований в г. Дубна.

Еще более мощными являются американские ускорители, также основанные на идеях Векслера и Мак-Милана. Это, во-первых, так называемый космотрон в Брукхейвене, рассчитанный на получение протонов с энергией в 3 млрд. эв, и, во-вторых, беватрон Калифорнийского университета в Беркли, с помощью которого удается разгонять протоны до энергии в 6,3 млрд. эв.

Самый мощный в мире ускоритель заряженных частиц, общий вид которого приведен на рис. 22, построен в 1956 г. в СССР под руководством В. И. Векслера. Это — синхрофазотрон; вместе с другим уникальным оборудованием он также передан Объединенному институту ядерных исследований. Синхрофазотрон позволяет получать интенсивные потоки протонов, обладающих энергией в 10 млрд. эв.

^{Рис. 22. Общий вид синхрофазотрона на 10 млрд. электрон-вольт Объединенного института ядерных исследований}

Вот некоторые цифры, характеризующие масштабы и точность этой гигантской установки. Вес ее кольцевого электромагнита вместе с обмоткой составляет 36 тыс. т, средний диаметр стального кольца достигает почти 60 м. Обмотка представляет собой изолированную медную шину, охлаждаемую дистиллированной водой и весящую около 600 т. Для питания электромагнита построена большая подстанция, на которой установлены специальные электрические генераторы мощностью в 140 тыс. ква (киловольт-ампер; рис. 23).

^{Рис. 23. Электрические генераторы для питания электромагнита синхрофазотрона}

Вакуумная камера, внутри которой движутся ускоряемые частицы, имеет объем, равный. 160 м³; благодаря непрерывной работе 56 мощных насосов давление воздуха в камере падает до миллиардной доли атмосферы.

Магнитное поле, непрерывно воздействующее на частицы, выверено с точностью до десятых долей процента. Чтобы обеспечить необходимую однородность поля (малейшее его искажение могло бы вывести установку из строя), было сделано более 150 тыс. измерений.

Объем основных производственных зданий синхрофазотрона составляет 335 тыс. м³. Помимо основного оборудования, в этих зданиях смонтирована многочисленная уникальная радиотехническая и электронная аппаратура, включающая 6 тыс. различных реле и автоматов, 2 тыс. контрольноизмерительных приборов и свыше 2 тыс. различных аппаратов управления. Для соединения всей этой аппаратуры проложены кабели протяжением около 1 тыс. км.

В апреле 1957 г. гигантский синхрофазотрон начал работать; в ночь на 17 апреля его мощность была доведена до расчетной. За 3,3 секунды протоны делают внутри вакуумной камеры 4,5 млн. оборотов и пробегают при этом путь в 1 млн. км, приобретая скорость, почти равную скорости света. Их энергия, как и предполагалось, достигает 10 млрд. эв. Это самая высокая энергия частиц, какую когда-либо удавалось искусственно создавать. Тем самым физики многих стран, работающие в Объединенном институте, получили в свое распоряжение необычайно скоростные «снаряды» для обстрела атомных ядер.

Постройка и пуск гигантского синхрофазотрона, не имеющего себе равного в мире, представляет выдающееся достижение современной науки и техники. Создание его оказалось возможным благодаря упорному и творческому труду большого коллектива ученых, инженеров и рабочих различных специальностей и высокому уровню развития советской науки и промышленности.

Ускорители заряженных частиц являются незаменимыми орудиями исследования атомного ядра и тех простейших, так называемых элементарных частиц, с которыми имеет дело ядерная физика.

«Обстреливая» протоны быстрыми частицами с энергиями в сотни миллионов электрон-вольт, советским физикам удалось, например, выяснить размеры протона. Оказалось, что радиус протона равен примерно 5∙10^-14 см. Установлено также, что протон, по всей видимости, состоит из какого-то остова, окруженного «облаком» мезонов — частиц, масса которых имеет промежуточную величину между массами электрона и нуклона. Используя протоны с энергиями в несколько миллиардов электрон-вольт, американские физики, работающие на беватроне, открыли в 1955 г. антипротон — частицу с такой же массой, что и протон, но имеющую отрицательный электрический заряд. Наконец, в 1956 г. был открыт антинейтрон — нейтральная частица вещества с массой нейтрона, но по своим магнитным свойствам противоположная ему. Число открытых физиками частиц все время увеличивается.

Обилие элементарных частиц, многообразие их свойств, необычайная сложность процессов, происходящих с их участием в ядрах атомов, являются блестящим подтверждением учения диалектического материализма о неисчерпаемости материи, о сложнейшей структуре атома и составляющих его частиц и неограниченных возможностях человеческого познания. Можно надеяться, что опыты на новом гигантском ускорителе, пущенном в СССР, сделают крупный вклад в развитие ядерной физики и позволят наблюдать рождение совсем новых элементарных частиц, пока еще не известных науке.

В качестве «снарядов» для обстрела атомных ядер могут быть использованы также и нейтроны. Ввиду отсутствия у них электрического заряда нейтроны не отталкиваются ядрами атомов. Поэтому все нейтроны попадают в цель (в ядра атомов обстреливаемой мишени) без промаха, если только взять мишень достаточной толщины. К сожалению, у нас нет иных источников нейтронов, кроме самих атомных ядер, из которых их приходится выбивать, прибегая к обстрелу другими заряженными частицами.

Для обстрела атомов с научной целью широко используются космические лучи. Так физики называют потоки атомных ядер, непрерывно падающих к нам на Землю из мирового пространства с огромной скоростью, близкой к скорости света.

Большинство космических частиц обладает колоссальной энергией, измеряемой миллиардами и десятками миллиардов электрон-вольт. Насколько велика энергия таких частиц, показывает следующий пример. Если листочек свинца толщиной всего в 0,001 см полностью поглощает альфа-частицы, то для космических частиц не является препятствием и слой свинца толщиной в 1 м. В космическихлучах имеются и такие сверхбыстрые частицы, энергия которых еще в миллиарды раз больше. Чтобы получить наглядное представление о том, насколько велика их энергия можно привести такой пример. Если сверхбыстрая космическая частица имела бы массу в один грамм, то при падении ее в Черное море вся вода в нем закипела бы. Но так как космические частицы ничтожно малы и общее число их невелико, то попадание их на Землю не вызывает заметного нагревания.

Космические частицы оказываются превосходными «снарядами» для обстрела атомных ядер, в том числе ядер тяжелых элементов. Сталкиваясь с ядрами, космические частицы вызывают ряд интересных ядерных явлений. В 1942 г. советский физик А. П. Жданов впервые наблюдал под действием космических лучей полное расщепление ядер атомов серебра и брома на составляющие их частицы.

Однако опыты с космическими лучами крайне затруднены тем, что потоки их очень слабы. Исследователю приходится месяцами ждать, пока в его приборы попадут именно те частицы, которые его интересуют. Вот здесь-то и приходят на помощь ускорители заряженных частиц, позволяющие разгонять частицы до огромных скоростей, при которых можно гораздо лучше изучать атомные ядра и процессы в них.

Изучая ядерные процессы, вызываемые быстрыми частицами-«снарядами», ученые открыли значительное число ядерных реакций, в которых выделялось относительно большое количество ядерной энергии. Таковы, в частности, реакции расщепления лития под действием протонов и дейтеронов, первая из которых рассмотрена выше.

Однако от установления факта выделения большого количества ядерной энергии до практического использования ее было еще далеко.

Главная трудность, которую нужно было еще преодолеть, заключалась в том, что для освобождения ядерной энергии необходимо было попасть частицей-«снарядом» в каждое атомное ядро. Между тем при обстреле атомов какой-либо мишени лишь ничтожная доля «снарядов» попадает в ядра ее атомов. В среднем лишь один снаряд из целого миллиона попадает в цель, то есть в ядро, и вызывает его превращение. Остальные 999 999 «снарядов» пролетают мимо цели и, растрачивая свою энергию на ионизацию атомов, теряют способность проникать в ядра. В результате такого положения на получение огромного количества «снарядов» затрачивается энергии значительно больше, чем ее получается при ядерных превращениях. Естественно, что такой способ освобождения ядерной энергии не может иметь практического значения.

Если бы для извлечения энергии топлива приходилось «поджигать» каждую молекулу его, то уголь, нефть и другие виды топлива не получили бы практического применения. К счастью, химическая реакция горения протекает совсем иначе. Если поджечь уголь в каком-либо месте, то при надлежащем доступе кислорода горение идет дальше самостоятельно, само себя поддерживая и охватывая все большую и большую массу угля. Молекулы углерода, из которых состоит уголь, сами «зажигаются» одна от другой, по цепочке. Такие самоподдерживающиеся химические реакции, которые, будучи начаты, поддерживают себя дальше сами, называются цепными. Теорию цепных химических реакций разработал еще в 1928 г. советский ученый Н. Н. Семенов.

Среди многочисленных ядерных реакций, о которых говорилось выше, не было ни одной, которая, будучи начата, развивалась бы дальше сама собой, по цепочке. В этих ядерных реакциях расщепление одного ядра не вызывает подобного же превращения других соседних ядер.

Положение коренным образом изменилось в 1939 г. благодаря открытию ядерной реакции нового типа, названной реакцией деления тяжелых ядер, которая при определенных условиях может протекать, как цепная. Эта реакция была открыта при обстреле нейтронами урана — самого тяжелого из существующих на Земле элементов.

Используя цепную реакцию деления тяжелых ядер, ученым удалось осуществить тепловую ядерную реакцию с водородом, протекающую в форме взрыва. Эта реакция, называемая иначе термоядерной реакцией, происходит под действием весьма высокой температуры, измеряемой миллионами и десятками миллионов градусов.

Деление тяжелых ядер и термоядерная реакция с водородом практически используются в настоящее время для получения ядерной энергии.

Как протекают эти ядерные реакции, каковы их особенности и рассказывается ниже.

2. Деление тяжелых ядер

Как известно из вышеизложенного, путем обстрела быстрыми частицами можно сделать радиоактивными большое число химических элементов. Итальянский физик Э. Ферми в 1934 г. показал, что чрезвычайно эффективными возбудителями искусственной радиоактивности являются нейтроны. Изучая воздействие нейтронов на ядра атомов урана, ученые ряда стран открыли много интересных и на первых порах загадочных явлений. Одним из таких открытий, явившимся, без сомнения, выдающимся достижением физики, было открытие в 1939 г. вызываемого нейтронами деления урана. Как установили немецкие физики О. Ган и Ф. Штрассман, после бомбардировки урана нейтронами в нем обнаруживаются ядра атомов элементов, стоящих в середине периодической таблицы Менделеева. Усилиями многих физиков было доказано, что эти новые ядра получаются в результате деления ядра урана, захватившего нейтрон; при этом масса и заряд исходного ядра распределяются (делятся) между новыми ядрами — «осколками» деления.

Теория деления тяжелых ядер была разработана в том же году советским физиком Я. И. Френкелем и зарубежными учеными Н. Бором и Д. Уилером на основе «капельной» модели ядра.

^{Рис. 24. Последовательное изменение тяжелого ядра-капли при делении:}

^{1 — недеформированное ядро; 2 — слабо деформированное ядро; 3 — сильно деформированное ядро; 4 — «осколки» деления}

В ядре урана, содержащем 92 протона, электрические силы отталкивания между одноименно заряженными протонами весьма велики и лишь немного уступают ядерным силам притяжения. Вследствие этого ядра урана не отличаются большой прочностью (устойчивостью). Поэтому нейтрон, попадающий в такое ядро, легко возбуждает (нагревает) его, делая еще менее устойчивым. В результате ядро деформируется и, теряя свою сферическую форму, вытягивается, как это показано на рис. 24, 2. Поскольку, как мы знаем, ядерные силы действуют лишь на очень коротком расстоянии, постольку электрические силы отталкивания между противоположными половинками растянутой капли превысят ядерное притяжение между ними. От этого ядро-капля станет вытягиваться еще больше, на нем образуется перетяжка (шейка; рис. 24, 3), и в конце концов оно разделится под действием электрических сил отталкивания на две части, то есть на два ядра («осколка») среднего веса (рис. 24, 4). Делящееся ядро выбрасывает («испаряет») несколько новых (вторичных) быстрых нейтронов. При этом излучаются также гамма-лучи. Особенно эффективно подобное деление под действием нейтронов происходит с ядрами урана 235. Схема деления ядер этого изотопа урана приведена на рис. 25.

^{Рис. 25. Схема деления ядра урана 235 при попадании в него нейтрона}

Ядра-«осколки» разлетаются в разные стороны с большой скоростью. Как показал Ф. Жолио-Кюри, «осколки», несмотря на их сравнительно большую величину, способны пробегать в воздухе до 2,1 см, что свидетельствует о наличии у них огромной энергии. Измеряя пробеги «осколков», нашли, что их кинетическая энергия составляет около 162 Мэв. Сталкиваясь с атомами окружающей среды, ядра-«осколки» передают им свою кинетическую энергию, вследствие чего происходит сильное нагревание среды.

Однако этим не исчерпывается количество выделяющейся энергии. Следует еще учесть энергию вторичных нейтронов, гамма-излучения, испускаемого в процессе самого деления (мгновенное гамма-излучение), и, наконец, энергию радиоактивных излучений «осколков», поскольку они получаются всегда радиоактивными и в дальнейшем уже после деления распадаются, испуская бета- и гамма-лучи и нейтрино. Примерное распределение энергии, выделяющейся при делении одного ядра урана 235, согласно современным расчетным и экспериментальным данным, таково:

Кинетическая энергия «осколков»	162 Мэв
Кинетическая энергия нейтронов	6 -''-
Энергия мгновенного гамма-излучения	6 -''-
Энергия радиоактивного излучения «осколков» (бета-, гамма-лучи и нейтрино)	21 -''-
Полная энергия деления	195 Мэв

Таким образом, общее количество энергии, выделяющейся при делении одного ядра урана 235, составляет почти 200 Мэв. В расчете на 1 г урана, содержащий 2,6∙10²¹ атомов, это дает огромную энергию, равную примерно 23 тыс. квт-ч. Если эту энергию выразить в килокалориях, то мы получим знакомую нам величину^[7] в 21 млн. ккал, что в 3 млн. раз превосходит то количество тепла, которое выделяется при сжигании 1 г хорошего каменного угля (7000 кал или 7 ккал). Количество тепла, которое выделяется при сгорании 1 г (или 1 кг) топлива, называется, как известно, теплотворной способностью топлива. По аналогии с этим количество энергии, которое выделяется в результате ядерной реакции деления 1 г урана (21 млн. ккал на 1 г), называют теплотворной способностью ядерного горючего. Уран 235 и некоторые другие вещества, ядра которых делятся с высвобождением энергии, называют ядерный горючим.

Заметим, что полный запас энергии в 1 г любого вещества, в том числе и урана, составляет около 21 млрд. ккал, как это было показано на стр. 58, Сравнивая эту величину с приведенной выше теплотворной способностью урана, мы найдем, что при делении ядер урана освобождается около одной тысячной доли всей той энергии, которая в них заключена.

Природный уран представляет собой смесь в основном двух изотопов: изотопа с атомным весом (массовым числом) 238 (уран 238) и изотопа с массовым числом 235 (уран 235). Главную массу (около 99,3%) составляет уран 238; на долю урана 235 приходится 0,7%. Другими словами, на каждые 140 атомов урана 238 приходится всего лишь один атом урана 235. Свойства этих изотопов в отношении деления, вызываемого нейтронами, несколько различны. Это обусловлено тем, что энергия, которую нужно сообщить ядру для того, чтобы вызвать его деление, составляет 6,5 Мэв для урана 235 и 7,0 Мэв для урана 238. Эту энергию обычно называют критической энергией деления или энергией активации ядра.

Чтобы лучше представить себе, что такое энергия активации, обратимся к знакомому явлению выстрела. Известно, что для того, чтобы освободить химическую энергию пороха в патроне и произвести выстрел, необходимо сначала сообщить пороху некоторую добавочную энергию, произведя взрыв капсюля патрона ударом бойка ударника. Так и атомному ядру надо сообщить добавочную энергию, чтобы оно поделилось и высвободило значительно большее количество скрытой в нем энергии. Наименьшая энергия, необходимая для этого, и есть энергия активации. Роль капсюля выполняет здесь нейтрон.

Энергия, которую приносит ядру нейтрон, называется энергией возбуждения ядра. Чем больше скорость нейтрона, тем больше энергия возбуждения.

Важную роль в ядерной энергетике играют медленные, так называемые тепловые нейтроны. Такое наименование получили нейтроны, энергия которых имеет примерно такую же величину, как и у молекул и атомов окружающей среды в их непрерывном тепловом движении. При комнатной температуре средняя кинетическая энергия нейтрона равна 0,038 эв, его средняя скорость составляет при этом около 2,7 км/сек.

Энергия возбуждения, сообщаемая ядру попадающим в него тепловым нейтроном, имеет разную величину для различных изотопов урана. Критические энергии деления и соответствующие энергии возбуждения для удобства обозрения даны в нижеследующей таблице.

Ядро	Критическая энергия деления, Мэв	Энергия возбуждения, сообщаемая тепловым нейтроном, Мэв
Уран 235	6,5	6,8
Уран 238	7,0	5,5

Как видим, тепловой нейтрон сообщает ядрам урана 238 и 235 разную энергию. Это различие объясняется тем, что нейтрон вносит в ядро не только кинетическую энергию (в обоих случаях одинаковую), но и свою энергию связи с ядром, которая для урана 235 составляет большую величину, чем для урана 238.

С другой стороны, из таблицы видно, что энергия возбуждения заметно больше критической энергии в случае урана 235 (6,8 против 6,5) и значительно меньше в случае урана 238 (5,5 против 7,0). Отсюда следует, как это бывает на практике, что ядра атомов урана 235 могут делиться как быстрыми, так и тепловыми нейтронами, в то время как ядра урана 238 делятся лишь весьма быстрыми нейтронами. Как показали советские физики Г. Н. Флёров и К. А. Петржак, деление ядер урана 238 могут вызвать только нейтроны, имеющие энергию больше 1,1 Мэв, что соответствует скорости свыше 14 тыс. км/сек. Такие же нейтроны, которые имеют меньшую скорость, ядрами этого урана захватываются без деления. В последующем эти ядра превращаются в результате радиоактивного распада в ядра атомов химического элемента плутония, имеющего атомный вес 239 и занимающего в таблице Менделеева 94 место.

Рассмотрим теперь поближе явление испускания нейтронов при делении и радиоактивность получающихся при этом «осколков». Мы уже знаем, что ядра урана 235 не отличаются большой устойчивостью. Поэтому нейтрон, попавший в такое ядро, легко вызывает его деление. Особенность этого явления состоит в том, что «осколки» деления могут быть самыми различными. В одном случае это будут ядра ксенона и стронция, в другом — ядра бария и криптона, в третьем случае деление даст ядра атомов редкого металла палладия и т. д. Деление ядер урана 235, вызываемое нейтронами, осуществляется десятками вариантов. Поэтому среди «осколков» встречаются изотопы более чем 30 элементов периодической системы Менделеева, начиная с селена (Z=34) и кончая лантаном (Z=57); их атомные веса (массовые числа) колеблются от 72 до 162. Интересно отметить, что деление ядер урана на две равные части происходит сравнительно редко. Чаще всего они делятся на два различных ядра-«осколка», массовые числа которых относятся как три к двум.

Ядро атома урана 235, захватив попавший в него нейтрон, будет иметь 236 нуклонов (92 протона и 144 нейтрона). Допустим теперь, что оно делится на два равных «осколка». Тогда в каждом таком «осколке» будет по 46 протонов и по 72 нейтрона. Это будут ядра атомов палладия (Z=46) с массовым числом 118. Но самый тяжелый изотоп палладия, существующий в природе, то есть самый тяжелый устойчивый изотоп этого элемента, имеет массовое число 110 и содержит в своем ядре всего 64 нейтрона против 72. Таким образом, в каждом ядре палладия, образовавшемся в результате деления, получится до 10 лишних нейтронов, в силу чего такое ядро не может быть устойчивым. Подобное положение бывает и в других ядрах-«осколках». Вот почему часть лишних нейтронов освобождается (испаряется) в процессе самого деления. Такие нейтроны называют мгновенными; они составляют более 99% общего числа нейтронов, вылетающих при делении. Часть нейтронов испускается уже после деления с запаздыванием 0,6–80 секунд. Эти нейтроны называются запаздывающими; они составляют несколько меньше 1% общего числа нейтронов деления. На опыте установлено, что при делении урана 235 медленными нейтронами на каждое ядро, испытывающее деление, приходится в среднем всего 2,5 вторичных нейтронов; средняя кинетическая энергия каждого из них порядка 2 Мэв. Среднее число вторичных нейтронов не является целым, потому что массовые числа «осколков», получающихся при делении ядер урана, оказываются, как мы уже знаем, весьма разнообразными. В соответствии с этим число нейтронов, вылетающих в каждом индивидуальном акте деления, оказывается различным и колеблется от 1 до 3.

Как видим, число вылетающих нейтронов невелико. Поэтому и после испускания нейтронов ядра-«осколки» обладают еще большим избытком нейтронов. Это ведет к тому, что в дальнейшем лишние нейтроны последовательно превращаются внутри ядра-«осколка» в протоны, что сопровождается, как известно, испусканием бета-частиц и нейтрино и во многих случаях гамма-лучей. Внутриядерное превращение нейтронов в протоны происходит до тех пор, пока не установится такое соотношение между ними, при котором ядро делается устойчивым (стабильным).

Каждое радиоактивное ядро-«осколок» имеет свою характерную цепочку бета-распадов. Две радиоактивные цепочки, принадлежащие барию и стронцию, приведены для примера на рис. 26.

^{Рис. 26. Схема распада «осколков» деления (радиоактивные цепочки бария 143 и стронция 94)}

Период полураспада бария 143, получающегося при делении, около 1 мин.; распадаясь с испусканием бета-частицы, он превращается в лантан. Лантан тоже радиоактивен, период его полураспада 15 мин.; распадаясь, он превращается в церий, который превращается в дальнейшем в празеодим, и т. д. Цепочка заканчивается стабильным изотопом неодима.

Стронций 94 дает короткую цепочку, заканчивающуюся стабильным изотопом циркония.

3. Цепная реакция деления тяжелых ядер

Как указано выше, при делении ядра урана получается несколько (в среднем 2,5) новых свободных нейтронов. Эта особенность деления ядер урана, обнаруженная в 1939 г. Ф. Жолио-Кюри и затем подтвержденная другими физиками, имеет исключительно важное значение. Благодаря испусканию вторичных нейтронов, способных в свою очередь вызвать деление других ядер, реакция деления может протекать при определенных условиях самостоятельно, сама собой, стоит только ее начать. Такая самоподдерживающаяся ядерная реакция, которая, будучи начата (инициирована), поддерживает себя сама, и есть цепная.

Чтобы реакцию деления ядер урана 235 осуществить как цепную, нужно только взять достаточно большой кусок чистого урана 235.

Как показали в 1940 г. Г. Н. Флёров и К. А. Петржак, небольшое число ядер урана делится с испусканием нейтронов самопроизвольно. Самопроизвольные деления происходят редко — в одном грамме обычного урана наблюдается всего около 23 делений в час. Но получающихся в результате этого свободных нейтронов будет достаточно для того, чтобы начать («зажечь») цепную реакцию в куске урана. В результате деления какого-либо ядра урана одним из блуждающих нейтронов, всегда имеющихся в уране, появятся новые нейтроны и притом в большем количестве. Эти нейтроны смогут вызвать новые деления, вследствие чего число делящихся ядер и число нейтронов будет само лавинообразно увеличиваться.

Таким образом, один нейтрон даст начало целой цепочке делений, причем количество ядер, подвергающихся делению, нарастает чрезвычайно быстро. Схема цепной реакции приведена на рис. 27. Заштрихованные кружки изображают ядра среднего веса, получающиеся при делении («осколки» деления).

^{Рис. 27. Схема цепной реакции деления ядер урана 235}

В большом куске урана процесс деления большинства ядер осуществляется всего за 2–3 миллионные доли секунды, в течение которых в весьма малом объеме выделится огромное количество ядерной энергии. В результате получится взрыв колоссальной силы, называемый атомным взрывом. Предельное количество энергии, которое может выделиться в атомном взрыве 1 кг урана 235 при делении всех его ядер, приблизительно равно энергии взрыва 20 тыс. т обычного взрывчатого вещества — тротила (тола). Однако энергии фактически выделяется значительно меньше вследствие того, что не весь уран успевает прореагировать и часть его разбрасывается.

В малых кусках урана 235 цепная реакция невозможна, и если даже ее начать, то она все равно тотчас же затухнет, так как большая часть вторичных нейтронов вылетит за пределы куска, не успев столкнуться с новыми ядрами и вызвать их деление (рис. 28). Это объясняется тем, что ядра занимают в веществе ничтожно малую часть его объема. Напомним, что диаметр атома равен в среднем одной стомиллионной доле сантиметра, а диаметр ядра еще меньше в десятки тысяч раз.

^{Рис. 28. Схема, показывающая, что в небольшом куске урана цепная реакция невозможна}

Следует также иметь в виду, что часть нейтронов может быть потеряна для деления вследствие их захвата ядрами атомов посторонних примесей и самого урана без деления.

Если размеры куска урана, в котором происходит деление, увеличивать, то пробег нейтрона в веществе возрастает, отчего шансы его столкнуться с ядром и произвести деление увеличиваются. Поэтому при увеличении размеров куска урана относительная потеря нейтронов за счет утечки их наружу уменьшается и при некотором объеме куска наступает момент, когда начавшаяся реакция будет развиваться дальше самостоятельно, сама себя поддерживая. Наименьшее количество урана или плутония, при котором возможна цепная реакция, называется критической массой. При этой массе один из вторичных нейтронов каждого делящегося ядра обязательно вызовет новое деление. Поэтому-то реакция и сможет в этом случае сама себя поддерживать. При бóльшей массе урана еще бóльшее число вторичных нейтронов будет вызывать новые деления. На рис. 29 схематически показано начало развития цепной реакции в куске урана с массой больше критической. В этой схеме исходное деление (I) дает три вторичных нейтрона (первое поколение нейтронов). Все они в нашем примере вызывают новые (вторые) деления (II), в результате чего появляется второе поколение нейтронов в количестве 8. Один из нейтронов этого поколения, столкнувшись с ядром атома какой-либо примеси, захватывается им без деления и новых нейтронов не вызывает. Остальные «рождают» несколько нейтронов третьего поколения, которые в дальнейшем «порождают» новые вторичные нейтроны, и т. д.

^{Рис. 29. Схема развития цепной реакции в куске достаточных размеров (I — исходное деление, II — вторые деления, III — третьи деления и т. д.)}

Нетрудно сообразить, что для поддержания цепной реакции необходимо, чтобы из двух с половиной вторичных нейтронов, возникающих в среднем в каждом индивидуальном акте деления, по крайней мере один вызывал новое деление. В этом случае начатая реакция не остановится и будет протекать с постоянным количеством делений в единицу времени, то есть с постоянной скоростью. Если же на каждые два с половиной вторичных нейтрона будет приходиться не одно деление, а больше, например, два, то количество нейтронов, производящих деление, будет лавинообразно расти в геометрической прогрессии 1: 2: 4: 8: 16: 32: 64:… Число нейтронов будет удваиваться от одного поколения к другому, так что уже в десятом поколении их будет 1000, а в восьмидесятом — около 10²⁴ (единица с двадцатью четырьмя нулями), то есть примерно столько, сколько имеется атомов в 0,5 кг урана.

Таким образом, скорость развития цепной реакции зависит от того, как происходит размножение нейтронов. Для количественной характеристики этой зависимости применяют особую величину, называемую коэффициентом размножения нейтронов. Коэффициент размножения нейтронов — это число, которое показывает, во сколько раз увеличивается в среднем количество нейтронов, производящих деления, от одного поколения к другому. Другими словами, коэффициент размножения есть среднее число нейтронов, вызывающих деления, приходящееся на каждый нейтрон предыдущего поколения. Обозначим коэффициент размножения буквой K.

Если коэффициент размножения равен единице (K=1), то цепная реакция возможна. Будучи начата, реакция происходит с такой же скоростью, с которой она началась. Пусть, например, в каком-то определенном поколении было 1000 нейтронов, вызвавших деления. В каждом последующем поколении при K=1 таких нейтронов будет также 1000. Поскольку число нейтронов, производящих деления в каждую единицу времени, в этом случае постоянно, постольку количество выделяемой в единицу времени энергии (выделяемая мощность) также будет постоянно.

Если коэффициент размножения K меньше единицы (K<1), то цепная реакция невозможна; если даже ее начать, то она сама собой тотчас же затухнет.

Если коэффициент размножения больше единицы (K>1), то число нейтронов в процессе деления лавинообразно увеличивается и тем быстрее, чем больше K по сравнению с единицей. Реакция идет с нарастающей скоростью, то есть с возрастающим количеством делений в единицу времени. Увеличение же скорости реакции означает увеличение выделяемой мощности. Чем больше K по сравнению с единицей, тем быстрее увеличивается мощность. Как видим, скорость развития цепной реакции зависит от величины коэффициента размножения K. На этом основании коэффициент размножения нейтронов называют также коэффициентом развития цепной реакции.

Величина коэффициента размножения нейтронов зависит от массы (веса) и геометрической формы куска делящегося вещества. Чем больше масса куска, тем больше при прочих равных условиях коэффициент размножения K. Так называемая критическая масса — это как раз такая масса, при которой коэффициент размножения нейтронов равен единице.

Коэффициент размножения нейтронов у кусков одинаковой массы, но различной формы, имеет разную величину. Легко понять, что если кусок урана взять, например, в виде тонкой пластинки, то даже при очень большой массе (весе) ее коэффициент размножения будет меньше единицы, и цепная реакция не разовьется. Это объясняется тем, что у тонкой пластинки очень велика поверхность, через которую вторичные нейтроны будут уходить в окружающее пространство, не производя делений (рис. 30, а).

^{Рис. 30. Зависимость коэффициента размножения нейтронов от формы куска урана (V — объем, S — поверхность)}

Иное дело, если такое же количество урана взять в виде шара (рис. 30, б). При одной и той же массе, а значит и объеме шар обладает наименьшей поверхностью по сравнению с куском урана любой другой формы. Например, прямоугольная пластинка с размерами 0,5∙40∙25 см при объеме в 500 см³ имеет поверхность 2065 см². Шар такого же объема (радиус его равен примерно 5 см) имеет поверхность всего около 314 см². Как видим, при одном и том же объеме (массе) поверхность шара значительно меньше, чем у тонкой пластинки. Поэтому утечка нейтронов в окружающее пространство у шара значительно меньше, чем у тонкой пластинки. Это значит, что у шара коэффициент размножения K будет равен единице при значительно меньшей массе, чем у куска любой другой формы. Другими словами, критическая масса имеет наименьшую величину в случае, когда кусок делящегося вещества имеет форму шара. Расчет показывает, что для урана 235 в этом случае критическая масса составляет несколько килограммов. Следует иметь в виду, что присутствие в уране 235 хотя бы в самом незначительном количестве посторонних примесей, поглощающих нейтроны, вызывает их дополнительные потери. Это влечет за собой уменьшение коэффициента размножения и, следовательно, увеличение критической массы.

Рассмотренная нами цепная реакция деления тяжелых ядер — это основной путь в настоящее время для получения ядерной энергии. В качестве горючего для этой реакции, кроме урана 235, могут быть использованы уран 233, плутоний 239 и, по-видимому, плутоний 241.

Цепная реакция деления, осуществляемая с возможно большей и быстро нарастающей скоростью, происходит в форме атомного взрыва и используется в атомной бомбе.

Цепная реакция, протекающая без взрыва с регулируемой по воле человека скоростью, осуществляется в так называемых атомных реакторах или котлах; она служит для получения ядерной энергии как источника тепловой, механической и электрической энергии в промышленности, на транспорте, в военном деле и в быту.

4. Термоядерная реакция

А. Общие сведения о термоядерной реакции

Как уже указывалось, ядерную энергию можно получить не только при делении тяжелых ядер, но и путем соединения наиболее легких ядер в более тяжелые. Из кривой энергии связи, рассмотренной выше (см. рис. 20), следует, что наибольшая энергия должна выделяться при соедининии легких ядер в ядра атомов железа и никеля, энергия связи которых имеет самую большую величину, примерно равную 200 млн. ккал на 1 г. Такое количество энергии выделилось бы при образовании 1 г железа из протонов и нейтронов. При рассмотрении кривой энергии связи обращает на себя внимание гелий, ядра которого также имеют большую энергию связи (165 млн. ккал в расчете на 1 г). Реакции синтеза ядер гелия путем соединения ядер водорода сопровождаются значительно бóльшим выделением энергии на единицу массы, чем реакции деления тяжелых ядер.

Атомные ядра, имея положительный электрический заряд, отталкиваются друг от друга, как и всякие одноименно заряженные тела. Поэтому для слияния каких-либо двух ядер в одно ядро необходимо сначала преодолеть значительные силы электрического отталкивания. Только после того, когда ядра сблизятся настолько, что вступят в действие силы ядерного притяжения, произойдет их слияние.

Ядерные силы имеют, как мы уже знаем, огромную величину лишь внутри ядра, где они в миллионы раз превосходят силы электрического отталкивания между одноименно заряженными протонами. На границе же ядра они настолько быстро уменьшаются до нуля, что радиус их действия не превосходит 7∙10^-13 см. Поэтому для слияния двух легких ядер их надо сблизить настолько, чтобы расстояние между ними стало меньше этой величины. Тогда ядерные силы заставят сближаться ядра дальше до полного слияния и образования нового, более тяжелого ядра.

Из вышеизложенного следует, что соединяться могут только очень быстрые ядра, обладающие большим запасом кинетической энергии, достаточным для производства работы по преодолению сил электрического отталкивания. Значит, здесь, как и в случае реакции деления, для сближения ядер и обеспечения начала ядерного взаимодействия между ними требуется предварительная затрата некоторой энергии, которая называется критической энергией, или энергией активации.

Энергия активации будет, конечно, тем меньше, чем меньше сила электрического отталкивания между соединяемыми ядрами. Значит, легче всего соединить ядра, имеющие возможно меньший электрический заряд. Такими ядрами являются, как мы знаем, ядра атомов водорода, гелия и лития. Вот почему при практическом осуществлении реакций синтеза в качестве реагирующего вещества используют различные изотопы именно этих элементов.

Сказанное выше относительно слияния атомных ядер можно пояснить следующим примером. Представим себе гору с глубоким кратером (рис. 31, а), и пусть у подножия кратера находятся два шарика (камня). Чтобы воспользоваться потенциальной энергией камней, их можно сбросить в кратер, но для этого им надо сначала сообщить добавочную энергию, подняв на край кратера. После этого под действием силы земного притяжения камни упадут вниз и отдадут значительно больше энергии, чем ее было затрачено при их подъеме.

^{Рис. 31. Механическая модель слияния легких ядер (а — слияние с выделением энергии, б — слияние с поглощением энергии)}

Преодоление сил электрического отталкивания при слиянии атомных ядер соответствует подъему камней на край кратера в нашем примере. Та добавочная энергия, которая затрачивается при этом, и есть энергия активации. Сближению ядер в сфере действия ядерных сил, сопровождающемуся выделением части ядерной энергии, соответствует падение камней в кратере.

Не следует только думать, что слияние всяких ядер всегда сопровождается высвобождением энергии. Слияние ядер может происходить и с поглощением энергии. Так, если бы путем слияния двух ядер гелия нам удалось образовать одно ядро бериллия, то в такой реакции пришлось бы затратить энергии больше, чем ее было бы получено. Дело обстоит здесь так, как если бы в рассмотренном примере кратер был мелкий, а края его высокие (рис. 31, б), Понятно, что на подъем камней потребуется здесь больше энергии, чем они ее отдадут при последующем падении.

Как заставить атомные ядра сближаться настолько тесно, чтобы ядерные силы вступали в действие и образовывали более тяжелые ядра? Каким способом сообщить ядрам необходимые для этого колоссальные скорости?

Можно, конечно, разогнать ядра, например дейтерия, с помощью того или иного ускорителя и направить их на мишень, содержащую эти же или какие-либо другие ядра. Однако такой метод, при огромном его научном значении, не годится для производства ядерной энергии, так как количество быстрых ядер, получаемых таким способом, невелико и к тому же шансы попасть в ядра мишени очень уж малы. Из многих тысяч ядер-«снарядов» лишь одно испытывает лобовое столкновение с ядром мишени, ведущее к образованию более тяжелого ядра. В результате выход энергии оказывается ничтожным по сравнению с колоссальными затратами ее.

Как разогнать одновременно большое количество атомных ядер? Можно, оказывается, воспользоваться вечным тепловым движением частиц вещества. Тепловым движением называют непрерывное и беспорядочное по направлению и скорости движение частиц вещества (молекул, атомов, атомных ядер, электронов и т. д.). Известно, что скорость частиц в этом движении растет с температурой, и поэтому, нагревая какое-либо вещество, в принципе возможно сообщить его частицам такие же большие скорости, как и в ускорителе. Сталкиваясь в силу теплового движения друг с другом, частицы смогут в этом случае преодолевать силы электрического отталкивания и соединяться. Какие же температуры необходимы для этого?

При обычных температурах, при которых мы живем, средняя скорость теплового движения молекул азота воздуха, например, составляет 0,5 км/сек, водорода — около 1,8 км/сек. При таких скоростях сближение частиц до слияния их ядер невозможно, так как имеющейся энергии недостаточно для преодоления сил электрического отталкивания. Чтобы преодолеть это отталкивание, необходимы значительно более высокие скорости.

Температуры, измеряемые десятками и даже сотнями тысяч градусов, тоже еще не дают нужных скоростей. И только при температурах в несколько миллионов градусов, когда средние скорости ядер водорода достигают нескольких сот километров в секунду, отдельные столкновения наиболее быстрых из них заканчиваются слиянием их. Наконец, при температуре в десятки миллионов градусов уже многие столкновения между ними ведут к ядерным превращениям. Еще более высокие температуры потребуются для осуществления слияния атомных ядер более тяжелых элементов.

При сверхвысоких температурах атомы легких элементов (водород, гелий, литий и т. д.) оказываются полностью ионизированными, их ядра лишены обычно окружающей их электронной оболочки и существуют, так сказать, в «голом» виде. Ядра и вырванные из атомов электроны образуют своеобразный электронно-ядерный газ, называемый физиками плазмой, с очень высокой плотностью (порядка нескольких десятков граммов на кубический сантиметр). Все частицы этой плазмы движутся с огромными скоростями и часто сталкиваются между собой. То, что ядра водорода и других легких элементов в этих условиях «голые», весьма облегчает их слияние при столкновениях.

Таким образом, температуры в десятки миллионов градусов оказываются достаточными для соединения наиболее легких ядер. Реакции соединения легких ядер в более тяжелые, происходящие при сверхвысоких температурах, называются термоядерными реакциями. Термоядерные реакции — это реакции синтеза, то есть образования относительно тяжелых и сложных ядер из более простых и легких.

Теорию термоядерных реакций ученые стали разрабатывать еще задолго до искусственного осуществления этих реакций на Земле. Это было предпринято с целью объяснить происхождение солнечной и звездной энергии. Известно, что Солнце и звезды излучают огромное количество энергии. Солнце, например, излучает столько энергии, сколько ее можно получить при сжигании каждую секунду около 13 000 000 млрд. т каменного угля. Казалось бы, что, теряя так много энергии, Солнце давно должно было бы остыть. Но оно не остывает и светит вот уже несколько миллиардов лет. В связи с этим и было выдвинуто предположение о том, что на Солнце и в звездах происходят термоядерные реакции, конечным результатом которых является образование гелия из водорода. Сопоставление расчетных данных с результатами прямых наблюдений за Солнцем, проводимых астрономами и физиками, позволяет считать в настоящее время, что такое предположение является, по-видимому, правильным.

В центре Солнца, по современным данным, температура равна 13 млн. градусов (а не 20 млн., как считалось раньше), давление — 100 млрд. атмосфер. Плотность вещества при таком давлении достигает колоссальной величины: 70–100 г/см³, причем около 80% вещества по весу приходится на долю водорода, а из более тяжелых элементов преобладает гелий, имеется также и углерод. Таким образом, условия, необходимые для протекания разных термоядерных реакций, на Солнце имеются.

Первый возможный путь образования гелия из водорода на Солнце — это так называемый протонно-протонный цикл. Цикл — это в данном случае цепочка из нескольких ядерных реакций, последовательно протекающих одна за другой. Вначале происходит слияние двух протонов (р); в результате образуется дейтрон (D²) — ядро тяжелого изотопа водорода — дейтерия; эта реакция сопровождается испусканием позитрона (β+) и нейтрино (ν).

Затем дейтроны соединяются с протонами, образуя ядра легкого изотопа гелия с атомным весом 3 (₂Не³). Эта реакция сопровождается испусканием гамма-лучей (γ). Последующее развитие цикла может происходить разными путями. Наиболее вероятным, то есть относительно чаще встречающимся продолжением первых двух реакций протонно-протонного цикла, является реакция соединения двух ядер легкого изотопа гелия, ведущая к образованию ядра основного изотопа гелия (₂Не⁴) и двух протонов. Схема ядерных реакций такого варианта протонно-протонного цикла приведена на рис. 32.

^{Рис. 32. Схема ядерных реакций протонно-протонного цикла}

Возможен и другой путь образования гелия на Солнце, связанный с так называемым углеродно-азотным циклом Г. Бете. При высоких температурах, господствующих внутри Солнца, быстрые протоны могут проникать в ядра атомов углерода, имеющегося там. Это дает начало цепочке ядерных реакций, составляющих цикл Бете и ведущих в конечном счете к образованию одного ядра гелия из четырех протонов с испусканием двух позитронов. На последнем этапе этого цикла углерод вновь возрождается полностью.

Как протонно-протонный, так и углеродно-азотный циклы дают один и тот же результат: из водорода образуется гелий и выделяется огромное количество энергии — около 165 миллионов килокалорий на каждый грамм гелия. Что касается времени протекания каждого из рассмотренных циклов, то оно очень велико. Продолжительность протонно-протонного цикла по современным данным составляет около 14 млрд. лет, продолжительность цикла Бете несколько меньше и равна примерно 330 млн. лет.

Следует иметь в виду, что огромная мощность излучения Солнца связана не с быстротой выделения энергии, а с огромной массой (весом) самого Солнца. Мощность излучения, рассчитанная на один грамм вещества Солнца, составляет всего около двух десятимиллионных долей ватта (точнее 1,9∙10^-7 вт). При столь малой скорости выделения энергии потребовалось бы около 100 г солнечного вещества, чтобы обеспечить питание 20-ваттной электрической лампочки накаливания.

Таким образом, образование гелия из водорода в недрах Солнца и звезд происходит очень медленно, но в грандиозных масштабах. Именно поэтому Солнце излучает огромное количество энергии на протяжении миллиардов лет. А так как водорода на Солнце очень много, то его хватит, как показывают расчеты, еще на сотни миллиардов лет.

Б. Искусственные термоядерные реакции

Для осуществления термоядерных реакций даже на основе самых легких ядер требуются, как мы теперь знаем, чрезвычайно высокие температуры порядка десятков миллионов градусов. Поэтому практическое осуществление термоядерных реакций на Земле стало возможным лишь после овладения цепными реакциями деления тяжелых ядер взрывного типа. Необходимые для начала термоядерной реакции сверхвысокая температура и давление оказалось возможным получить с помощью атомного взрыва. Атомный взрыв вызывает (инициирует) термоядерную реакцию соответствующей «горючей» смеси, протекающую в форме так называемого теплового взрыва. Заряд атомного взрывчатого вещества (урана 235 или плутония 239) является здесь как бы капсюлем-детонатором, инициирующим тепловой взрыв.

Тепловые взрывы в случае химических процессов были изучены выдающимся советским ученым Н. Н. Семеновым еще более двух десятков лет тому назад. Такие взрывы происходят в некоторых химически сложных веществах, в которых скорость реакции, сопровождающейся значительным выделением тепла, сильно увеличивается с ростом температуры. Примером подобных веществ являются различные пороха, смесь паров бензина с воздухом при сильном сжатии и т. п. В таких веществах с началом химической реакции и выделением первых порций тепла начинает повышатьсятемпература. Это ведет к ускорению реакции: количество выделяющегося тепла возрастает, а следовательно, возрастает и температура. Процесс настолько быстро развивается, что происходит взрыв, который и называют тепловым.

Аналогично этому протекает термоядерная реакция в так называемой водородной бомбе, рассматриваемой ниже. Цепная реакция деления дает начало реакции синтеза ядер гелия из водорода. От этого в свою очередь выделяется теплота и повышается без того высокая температура. Скорость термоядерной реакции и количество выделяющегося тепла резко увеличиваются, что в свою очередь ведет к дальнейшему лавинообразному ускорению реакций. В конечном счете происходит мощный термоядерный взрыв.

Величина термоядерного заряда может быть малой и большой. Для этого заряда не существует критических размеров и критической массы.

Для эффективного протекания термоядерной реакции, кроме высокой температуры, требуется также высокая плотность горючего. Чем больше вещества заключено в данном объеме, тем больше в нем будет атомов и тем чаще, следовательно, будут сталкиваться ядра между собой, тем больше будет образовываться ядер гелия с выделением соответствующей энергии.

Так как продолжительность атомного взрыва исчисляется всего несколькими миллионными долями секунды, то есть несколькими микросекундами, то в качестве горючего для термоядерной реакции должны быть взяты вещества, ядра которых успевают за это время соединиться в достаточном количестве. Физикам известна пока только одна термоядерная реакция, которая может быть непосредственно вызвана атомным взрывом даже в случае, когда плотность горючего близка к плотности вещества внутри Солнца; это — реакция соединения тяжелого и сверхтяжелого изотопов водорода (дейтерия и трития). Ядра дейтерия и трития, сталкиваясь между собой, образуют новое и притом возбужденное ядро, которое тотчас же превращается обычно в ядро гелия, испуская нейтрон. Схема подобного процесса образования ядер гелия из водорода приведена на рис. 33. Продолжительность этой реакции составляет около 40 микросекунд при температуре 20 млн. градусов и сокращается примерно до четверти микросекунды с повышением температуры до 200 млн. градусов.

^{Рис. 33. Образование ядра гелия из ядер дейтерия и трития}

Величина выделяющейся при этой реакции энергии была выше подсчитана. Она равна 100 млн. ккал на каждый грамм гелия, что примерно в 5 раз больше той энергии, которая выделяется при полном делении грамма урана или плутония.

Если учесть, что вес термоядерного заряда ничем принципиально не ограничен, то нетрудно будет понять, что мощность взрыва водородной бомбы может оказаться во много раз большей, чем мощность взрыва атомной бомбы.

Высокая плотность термоядерного горючего может быть достигнута либо путем сжатия газа до высоких давлений или его сжижения, либо использованием химических соединений изотопов водорода с другими веществами. Последний путь представляется более вероятным, так как применение сильно сжатого или жидкого водорода не обеспечивает высокой плотности горючего и к тому же связано с рядом конструктивных трудностей. Наиболее простым и доступным соединением водорода является тяжелая и сверхтяжелая вода. У тяжелой воды молекулы построены по обычной формуле химии из двух атомов дейтерия и одного атома кислорода, у сверхтяжелой воды — из двух атомов трития и также одного атома кислорода.

Водород может использоваться также в виде твердого соединения с металлом — в виде, например, гидрида лития. Гидрид лития LiH — твердое соединение лития с водородом, похожее по своим свойствам на соли и имеющее плотность 0,82 г/см³. Содержание водорода в 1 см³ этого соединения (0,1 г/см³) превышает плотность жидкого водорода (0,07 г/см³).

Необходимый для термоядерной реакции дейтерий содержится в природном водороде в количестве 0,01–0,02%. Выделение дейтерия из природных соединений водорода освоено и является сравнительно простым делом. Тритий в достаточных количествах в природе отсутствует и получается искусственным путем в ядерных реакторах.

В. Перспективы осуществления управляемых термоядерных реакций

Термоядерная реакция с атомным зарядом в качестве детонатора может быть использована лишь для военных целей, так как разрушительное действие самого атомного взрыва очень велико. Если найти менее разрушительный детонатор, то тогда эту реакцию можно будет осуществить не только в больших масштабах, но и в малых, что откроет путь для мирного использования термоядерных реакций.

Первые опыты в этом направлении связаны с использованием нескольких небольших по величине зарядов обычного взрывчатого вещества (ВВ). Французские ученые Тибо и Перье еще в 1951 г. произвели крошечный взрыв в небольшой камере, примерное устройство которой приведено на рис. 34. Ударные волны, образующиеся при взрыве зарядов обычного ВВ, сталкивались в центре камеры, вследствие чего смесь воздуха и аргона, наполнявшая камеру, моментально нагревалась до температуры, значительно превышающей температуру на поверхности Солнца, и начинала светиться. Свечение наблюдалось через окошко камеры и регистрировалось фотокамерами.

^{Рис. 34. Схема опыта по получению сверхвысокой температуры путем столкновения ударных волн в газе:}

^{1 — ВВ; 2 — металлический корпус; 3 — трубки для впуска и выпуска газа; 4 — окно для наблюдения}

Если две или более встречных ударных волны от взрыва обычного ВВ направить через суживающиеся каналы, то можно будет сконцентрировать энергию, необходимую для повышения температуры горючей смеси в небольшом объеме. Если этот объем будет достаточно мал, то температура поднимется до весьма большой величины, чем и будут созданы условия, необходимые для начала термоядерной реакции. К сожалению, реакция, осуществленная подобным способом, также будет иметь характер взрыва, хотя, быть может, и безопасного.

Не исключено, однако, применение этого способа для получения малой мощности взрывов водородной смеси, следующих друг за другом. Для этого надо будет «зажигать» смесь небольшими порциями. Как только «выгорит» первая порция, в камеру впускается и «зажигается» вторая порция, затем третья и т. д. Это будет напоминать работу двигателя внутреннего сгорания типа дизеля, в котором также порциями впрыскивается горючее; оно мгновенно зажигается, выделяя энергию и обеспечивая работу двигателя.

Для использования термоядерных реакций в мирных целях необходимо разработать такие способы получения сверхвысоких температур и регулирования скорости реакций, в которых можно было бы избежать взрыва. В этом состоит генеральная задача современной ядерной физики.

Термоядерные реакции с регулируемой скоростью позволят получать ядерную энергию не за счет запасов ее в таких редких элементах, как уран и торий, а за счет образования гелия из широко распространенного в природе водорода. Достаточно сказать, что одного только дейтерия во всех океанах, морях, озерах и реках земного шара содержится почти 25 000 млрд т. А ведь каждый грамм гелия, полученный из дейтерия, дает около 130 млн. ккал энергии. Насколько велика эта энергия, можно видеть из такого примера. Вода охлаждающей системы двигателя легковой автомашины содержит около 0,2 г дейтерия. Если бы весь этот дейтерий превратился в гелий, то выделившейся энергии хватило бы для поездки на расстояние в 50 тыс. км, то есть вполне хватило бы для кругосветного путешествия.

Осуществление управляемых термоядерных реакций является трудным делом, требующим привлечения новейших достижений самых разнообразных областей физической науки. Однако теоретические работы советских ученых по атомной и ядерной физике открыли новый путь экспериментальных исследований по управлению этими реакциями.

Советские ученые обратили внимание на то, что трудности в достижении сверхвысоких температур связаны не с величиной энергии, которую нужно сообщить разогреваемому веществу (эта энергия невелика), а с необходимостью устранить утечку тепла в окружающее пространство как в процессе нагревания вещества, так и во время самой реакции. Так, например, для нагрева изолированного от окружающей среды 1 г дейтерия до 1 млн. градусов теоретически требуется всего около 1700 ккал тепла, то есть в десятки тысяч раз меньше, чем может затем выделиться за счет термоядерной реакции в дейтерии. Однако фактически необходимое для такого нагрева количество энергии во много раз больше и к тому же чрезвычайно быстро возрастает с повышением температуры. Это обусловлено утечкой тепла из разогреваемого вещества в окружающую среду. Как устранить ее? При сравнительно невысоких температурах, которые должны быть пройдены в процессе нагревания вещества, утечка тепла определяется главным образом столкновениями частиц разогреваемого вещества со стенками сосуда (баллона), в котором вещество заключено. Поэтому необходимо прежде всего изолировать нагреваемое вещество от стенок сосуда. Так как при высоких температурах вещество существует в виде электронно-ядерного газа (плазмы), то задача теплоизоляции сводится к необходимости удерживать быстрые частицы плазмы внутри некоторого объема вдали от стенок. Это необходимо осуществлять в течение такого времени, которое достаточно для того, чтобы заметная доля частиц успела соединиться между собой.

На Солнце и звездах, имеющих огромную массу, частицы раскаленной плазмы удерживаются в определенном объеме силами тяготения; именно поэтому термоядерные реакции протекают в недрах этих светил на неизменном уровне в течение миллиардов лет.

Чем заменить силы тяготения в лабораторных условиях, когда масса разогреваемого вещества мала и поэтому совершенно ничтожные силы тяготения не могут оказывать такого же действия? В 1950 г. академики И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров предложили воспользоваться для теплоизоляции плазмы магнитными силами. Идея магнитной теплоизоляции, предложенная этими учеными, основана в конечном счете на простом физическом явлении, заключающемся в том, что одинаково направленные параллельные токи притягиваются (рис. 35). Поэтому, если через газообразный дейтерий пропускать электрический ток в несколько сот тысяч ампер, то силы магнитного поля, возникающего вокруг тока, будут сжимать со всех сторон отдельные нити тока к центральной его оси. Так как ток течет в газе, то вместе с собой он увлечет и частицы дейтерия, оттягивая плазму от стенок сосуда. Тем самым магнитное поле создаст вокруг плазмы невидимую, но непроницаемую преграду, которая не пропустит частицы к стенкам сосуда. В результате теплообмен между быстрыми («нагретыми») частицами плазмы и холодными стенками резко уменьшится, что и создаст благоприятные условия для достижения высоких температур. Нагревать вещество будет тоже ток, который служит для создания магнитного поля.

^{Рис. 35. Одинаково направленные параллельные электрические токи притягиваются}

Используя идею магнитной теплоизоляции плазмы, советские физики-экспериментаторы научились получать в лабораторных условиях очень высокие температуры, превышающие 1 млн. градусов. Более высокие температуры достигнуты искусственным способом пока лишь при взрыве атомных и водородных бомб.

Работы советских ученых по изучению возможностей осуществления управляемых термоядерных реакций далеко опередили аналогичные исследования, ведущиеся в Англии и США.

Однако это только первый шаг на пути овладения этими реакциями. Много трудностей предстоит еще преодолеть, чтобы создать термоядерный реактор (термоядерную «печку») и сделать реакции, протекающие в нем, безопасными и контролируемыми. Каким способом будут осуществлены управляемые термоядерные реакции, покажет будущее.

Работая над проблемой управляемых термоядерных реакций, физики одновременно ищут других путей для осуществления слияния легких ядер в более тяжелые. Один из таких принципиально новых путей указан членом-корреспондентом Академии наук СССР Я. Б. Зельдовичем, теоретически обосновавшим еще в 1954 г. возможность ядерной реакции синтеза нового типа, в результате которой образуется гелий из водорода при обычной температуре. В конце 1956 г. реальность этого пути была подтверждена в предварительном эксперименте американским физиком Альварецом.

Это замечательное открытие явилось результатом целой серии теоретических и экспериментальных исследований. Его историю можно начать с 1936–1937 гг., когда в дополнение к известным нам частицам — электронам, протонам, нейтронам, позитронам и нейтрино — физики открыли новую «элементарную» частицу, получившую название мезона (мезотрона). Масса мезона имеет величину, промежуточную между массами легкого электрона и сравнительно тяжелого протона. В 1946–1949 гг. на основании своих опытов академик А. И. Алиханов и член-корреспондент Академии наук СССР А. И. Алиханян пришли к заключению о существовании мезонов с различными массами. Так оно и оказалось. К настоящему времени открыта целая серия частиц такого типа, обозначаемых греческими буквами: μ (мю), π (пи), τ (тау), θ (тета) и т. д. Мезоны, открытые в 1937 г., называют теперь мю-мезонами; их масса превышает массу электрона примерно в 209 раз. Мезоны, называемые пи-мезонами, имеют массу, равную приблизительно 300 электронным массам.

Заряд мезона равен заряду электрона и бывает как отрицательный, так и положительный. В 1950 г. советские физики П. И. Лукирский и А. П. Жданов открыли первые нейтральные мезоны. Все мезоны по своей природе неустойчивы (нестабильны) и самопроизвольно распадаются подобно радиоактивным атомам. Их время жизни очень мало и составляет около 2 миллионных долей секунды (2∙10^-6 сек.) для мю-мезонов и около 25 миллиардных долей секунды (25∙10^-9 сек.) для заряженных пи-мезонов.

Первоначально мезоны были открыты в космических лучах, но теперь они получаются в лабораториях посредством «бомбардировки» различных веществ (бериллия, углерода, меди и т. д.) протонами и нейтронами больших скоростей.

Вскоре после открытия первых мезонов, в 1940 г., японские физики Томонага и Араки высказали предположение о том, что отрицательные мезоны после остановки в веществе могут захватываться электрическим полем какого-либо ядра на близкую к нему орбиту и в течение некоторого времени могут вследствие этого вращаться вокруг ядра, образуя так называемый мезоатом. Мезоатом — это своеобразный атом, в котором вместо электронов или наряду с ними вокруг положительно заряженного ядра вращаются отрицательные мезоны.

Мезоатом водорода, например, мезоводород, состоящий из положительного ядра и вращающегося вокруг него одного отрицательного мезона, внешне подобен обычному водородному атому с одним электроном. Но в отличие от последнего мезоатом обладает рядом специфических особенностей. Первая и главная особенность — это близость мезона к ядру: радиус орбиты мезона в сотни раз меньше радиуса электронной орбиты. Отсюда вытекает вторая особенность — возможность захвата мезона ядром. Единственный электрон обычного водородного атома находится сравнительно далеко от ядра и никогда не захватывается им. Мезон же в мезоатоме может быть захвачен ядром раньше, чем он испытает самопроизвольный распад. В тяжелых мезоатомах, например, около половины своего времени жизни мезон проводит внутри ядра.

В силу указанных свойств мезоны значительно лучше экранируют своим отрицательным зарядом положительный заряд ядра, чем это делают электроны. В мезоводороде, например, отрицательный мезон может полностью нейтрализовать заряд его единственного протона.

Существование мезоатомов подтверждено на опыте. В 1952 г. установлено существование пи-мезоатомов, то есть атомов с вращающимися вокруг ядра пи-мезонами, а в 1953 г. открыты мю-мезоатомы.

Серьезная не только теоретическая, но и возможная практическая ценность изучения мезоатомов как раз и связана с идеей Я. Б. Зельдовича. Чтобы заставить ядра водорода, преодолевая силы электрического отталкивания, подойти близко друг к другу, необходимо, как мы знаем, разогнать их до огромных скоростей, повышая для этого температуру до многих миллионов градусов. При новом же методе Зельдовича синтез ядер гелия возможен и при обычной температуре, если вместо обычных атомов легкого и тяжелого водорода использовать мезоатомы этого элемента. Отрицательный мезон нейтрализует в мезоводороде заряд протона, вследствие чего ядра мезоводорода смогут сближаться до соприкосновения и слияния и при обычной температуре. Реальность такой реакции и была подтверждена на опыте Альварецом.

(обратно)

VI. ЯДЕРНОЕ ОРУЖИЕ

1. Общие принципы устройства ядерного оружия

Выше рассказано о том, как происходят ядерные реакции, которые могут быть использованы для получения ядерной энергии. Таких реакций по существу две: цепная реакция деления тяжелых ядер и реакция соединения легких ядер (термоядерная реакция).

Цепная реакция деления в чистом уране 235, уране 233 или плутонии 239 происходит, как мы знаем, в виде взрыва, при котором вся энергия выделяется в течение нескольких микросекунд. Также в виде взрыва осуществляется пока и термоядерная реакция с изотопами водорода. Такие взрывы могут быть использованы в военном деле.

Оружие, действие которого основано на использовании ядерной (атомной) энергии, называют ядерным или атомным оружием. Различают два вида такого оружия: ядер-ное оружие взрывного действия и боевые радиоактивные вещества.

Применение ядерного оружия взрывного действия возможно в виде атомных и водородных (термоядерных) бомб, артиллерийских атомных и термоядерных снарядов, морских торпед, управляемых самолетов-снарядов, межконтинентальных баллистических ракет и т. д.

Боевыми радиоактивными веществами называют специально приготовленные для боевого использования радиоактивные вещества. Они могут применяться в виде жидкостей или порошков, которыми снаряжаются авиационные бомбы и ракеты. Поражающее действие боевых радиоактивных веществ основано на вредном влиянии радиоактивных излучений на живые организмы. Этими веществами можно заражать местность, различные предметы и воздух с целью поражения людей.

Ядерное оружие по своему поражающему действию значительно превосходит обычные виды оружия. Это объясняется не только тем, что сила ядерного взрыва превосходит обычный взрыв во много тысяч и миллионов раз, но также и тем, что ядерное оружие, в отличие от обычного оружия, обладает не одним, а несколькими поражающими факторами.

Впервые ядерное оружие появилось в 1945 г. в авиации в виде атомных бомб. Именно с помощью самолетов американцы сбросили на мирное население японских городов Хиросима и Нагасаки первые атомные бомбы. Дальнейшее развитие ядерного оружия привело к появлению его в наземных войсках и на флоте. Ядерное оружие оказывает огромное влияние на развитие всех родов войск и в особенности авиации, которая является одним из основных носителей этого оружия.

В основе всех видов ядерного оружия взрывного действия лежат физические принципы, использованные впервые при создании атомных и водородных бомб. Поэтому ознакомление с этими бомбами позволит понять действие и других видов этого оружия.

Рассмотрим общие принципы устройства атомной бомбы. В кусках ядерного горючего с массой меньше критической цепная реакция, как мы знаем, невозможна. Но если взять несколько таких докритических кусков и быстро соединить их в один кусок, чтобы получилась масса, превышающая критическую, то в то же мгновение под действием одного из блуждающих нейтронов начнется цепная реакция деления, и произойдет взрыв.

Отсюда нетрудно понять устройство атомной бомбы, принципиальная схема которой приведена на рис. 36. Уран 235 или какое-либо другое ядерное взрывчатое вещество (ядерное ВВ), ядра которого способны делиться под воздействием нейтронов, находится в бомбе в виде нескольких докритических кусков. Масса каждого такого куска меньше критической. В схеме, указанной в левой части рис. 36, заряд ядерного ВВ состоит из двух частей, имеющих форму полушарий.

^{Рис. 36. Принципиальная схема устройства атомной бомбы (а — заряд разделен на две части, б — заряд разделен на три части):}

^{1 — заряд ядерного ВВ (атомный заряд); 2 — заряд обычного ВВ; 3 — капсюль-детонатор; 4 — отражатель нейтронов; 5 — взрывающее устройство дистанционного или ударного действия; 6 — источник нейтронов; 7 — пространство, из которого выкачан воздух; 8 — корпус зарядной части бомбы}

В схеме, приведенной справа, ядерный заряд состоит из трех частей: центральной неподвижной части в виде шара с широким цилиндрическим каналом, внутрь которого могут входить две другие подвижные части, размещенные внизу и вверху. Форма частей такова, что после их соединения получится компактный ядерный заряд в виде шара. Деление заряда на три части дает возможность увеличить общую величину заряда и, следовательно, повысить мощность взрыва.

Чтобы вызвать взрыв, необходимо быстро соединить все куски урана в единую компактную массу, превышающую критическую. Для этой цели в бомбе имеется специальное взрывающее устройство дистанционного, или ударного действия 5, которое осуществляет в нужный момент времени с помощью капсюлей-детонаторов 3 взрыв обычного взрывчатого вещества 2. Силой этого взрыва все куски ядерного ВВ быстро соединяются в один сверхкритический кусок, в результате чего происходит ядерный взрыв. Чтобы большее число вторичных нейтронов использовать для новых делений, ядерное ВВ в бомбе окружено отражателем нейтронов 4, то есть слоем вещества, отражающего нейтроны, направляющиеся за пределы заряда, обратно в зону ядерной реакции. Отражатель нейтронов может быть сделан из графита или легкого металла бериллия. Применением его удается значительно уменьшить критические размеры ядерного заряда. Боевая часть бомбы (ядерный заряд, отражатель нейтронов и заряд обычного ВВ) заключается в прочный металлический корпус, благодаря которому обращение с бомбой безопасно. Кроме того, этот корпус задерживает на некоторое время разлет продуктов цепной реакции, предохраняя части заряда ядерного ВВ от преждевременного разбрасывания и способствуя тем самым лучшему его использованию в реакции, отчего мощность взрыва бомбы увеличивается.

Для обеспечения безотказности взрыва в нужный момент времени в бомбу можно поместить один или несколько небольших источников нейтронов 6.

По данным иностранной печати возможны и другие конструкции ядерного заряда бомбы. В одной из таких конструкций сверхкритическая масса составляется заранее на заводе, а для предохранения от преждевременного взрыва заряда в него включается при сборке сильный поглотитель нейтронов в виде, например, кадмиевого стержня. Наличие такого стержня-предохранителя препятствует развитию цепной реакции деления. В нужный момент кадмиевый стержень быстро удаляется (выбивается) при помощи взрыва заряда обычного ВВ, в результате чего немедленно начинается цепная реакция и происходит ядерный взрыв.

Ядерный заряд того или иного устройства может быть использован не только в авиационных атомных и водородных бомбах, но и в артиллерийских снарядах, морских самодвижущихся торпедах, межконтинентальных ракетах и т. д. Заряд с кадмиевым стержнем-предохранителем, имеющий минимальные размеры и вес, наиболее пригоден, по-видимому, для артиллерийских снарядов.

Принцип устройства и характер поражающего действия атомных бомб, снарядов и т. п. одинаков. Масштабы же поражения зависят в основном от мощности взрыва.

Мощность атомного взрыва принято характеризовать тротиловым эквивалентом, то есть весом тротилового заряда, энергия взрыва которого равна энергии данного атомного взрыва. В зависимости от мощности атомного заряда атомные бомбы, снаряды делят на калибры: малый, средний и крупный. Чтобы получить энергию, равную энергии взрыва, например, атомной бомбы малого калибра, нужно взорвать несколько тысяч тонн тротила. Если такое количество тротила уложить в виде куба, то высота его будет равна высоте четырехэтажного дома. Тротиловый эквивалент атомной бомбы среднего калибра составляет десятки тысяч, а бомбы крупного калибра — сотни тысяч тонн. Еще большей мощностью могут обладать образцы термоядерного (водородного) оружия. Их тротиловый эквивалент достигает миллионов тонн. Такой тротиловый заряд, сложенный в виде куба, по своим размерам сравним со зданием Московского университета на Ленинских горах, высота которого 254 м.

Таким образом, для приближенной оценки мощности ядерного взрыва обычно пользуются так называемым тротиловым эквивалентом, которым характеризуют также и калибр бомбы. Тротиловый эквивалент атомной бомбы — это масса (вес) такого заряда тротила (тола), при взрыве которого выделяется столько же энергии, сколько ее освобождается при взрыве данной атомной бомбы. Тротиловый эквивалент 1 кг урана 235 равнялся бы 20 тыс. т, если бы все ядра делились при взрыве. Однако в действительности он значительно меньше, так как в ходе реакции делится только часть ядер, а остальные рассеиваются силой начавшегося взрыва, так и не успев поделиться.

Первые атомные бомбы, сброшенные американцами в 1945 г. на японские города Хиросима и Нагасаки, имели тротиловый эквивалент, приблизительно равный 20 тыс. т, хотя вес атомного заряда в них был около 50 кг. Следовательно, 49 кг делящегося вещества оказалось неиспользованным.

Общий вес американских бомб 1945 г. составлял 4–10 т. Для доставки их к месту взрыва пришлось использовать тяжелые самолеты-бомбардировщики типа В-29. Ядерным ВВ в бомбе, сброшенной на Хиросима, служил уран 235, а в бомбе, сброшенной на Нагасаки, — плутоний 239.

Последующее развитие ядерного оружия шло в направлении и увеличения и уменьшения мощности атомных бомб и одновременно в направлении создания других видов этого оружия, таких, как водородная бомба, артиллерийские атомные снаряды, ракеты и т. п.

В иностранной печати указывалось, что в настоящее время имеется несколько типов атомных бомб, начиная с так называемых «тактических» бомб с тротиловым эквивалентом в несколько тысяч тонн и кончая стратегическими атомными бомбами большого калибра, тротиловый эквивалент которых достигает 500 тыс. т. Словом «тактические» здесь выражают тот факт, что эти бомбы могут применяться не только против населенных пунктов, но и против наземных войск непосредственно на поле боя.

По данным иностранной печати, если для доставки к цели первых атомных бомб требовались тяжелые самолеты-бомбардировщики, то сейчас в качестве носителей некоторых типов атомных бомб могут использоваться истребители. Атомные бомбы малого калибра, подвешенные на истребителях, могут применяться не только для действий по наземным целям, но и в воздушном бою для уничтожения групп самолетов противника, следующих в тесных боевых порядках. Бомбы среднего и крупного калибра могут быть использованы для бомбардировки больших промышленных и административных центров, портов, крупных аэродромов и других важных стратегических целей.

Следует заметить, что увеличение мощности атомных бомб после 1945 г. шло главным образом за счет повышения коэффициента использования ядерного ВВ, а не за счет увеличения его количества. Чтобы больший процент ядерного ВВ принял участие в цепной реакции, стали снабжать бомбы очень прочной оболочкой, придавая ей, а также и самому заряду ядерного ВВ наиболее выгодную форму.

Количество ядерного ВВ в современных атомных бомбах колеблется от нескольких килограммов до многих десятков килограммов (в зависимости от калибра). Общий вес таких бомб имеет величину от нескольких сот килограммов до нескольких тонн. В качестве ядерного ВВ применяется преимущественно плутоний 239, реже уран 233 и совсем редко уран 235, производство которого значительно дороже производства плутония.

Стремление увеличить мощность атомных бомб привело к созданию водородной бомбы, к изучению которой мы и перейдем.

Водородная бомба основана на использовании энергии, выделяющейся в результате термоядерной реакции. Детонатором, или «зажигалкой», для термоядерного ВВ, которым снаряжается водородная бомба, служит атомная бомба, принципы устройства которой мы рассмотрели. Схема возможного устройства простой водородной бомбы приведена на рис. 37. Внутри конструкции размещается боевая часть атомной бомбы 1. Вокруг нее в плотной оболочке может находиться первая часть заряда термоядерного ВВ в виде смеси дейтерия и трития 2. Дейтерий и тритий обычно применяются в виде соответствующих соединений с другими элементами. Наконец, вокруг всего этого размещается вторая часть термоядерного заряда 3, содержащая большое количество обычного водорода, дейтерия, лития и других легких изотопов.

^{Рис. 37. Принципиальная схема устройства водородной бомбы:}

^{1 — атомный заряд с взрывающим устройством; 2 — первая часть термоядерного заряда (дейтерий и тритий); 3 — вторая часть термоядерного заряда (изотопы водорода, лития и др.); 4 — корпус (оболочка) бомбы}

Схему развития взрыва водородной бомбы можно представить себе следующим образом. Начинается все с взрыва атомного детонатора, ведущего к повышению температуры на время порядка микросекунд до нескольких десятков миллионов градусов. Это начальный период.

Второй период — это «зажигание» смеси дейтерия и трития. Реакция соединения дейтерия и трития воспринимает инициирующее действие взрыва атомного детонатора и ведет к дальнейшему повышению температуры, чем обеспечивается термоядерная реакция в остальной части термоядерного ВВ.

Термоядерные реакции во второй части термоядерного заряда, требующие более высокой температуры, происходят в третий период взрыва. Такими реакциями могут быть реакция соединения ядер дейтерия, ведущая к образованию трития, чем поддерживается наличие его в горючей смеси, а также реакции с различными изотопами лития. Таким образом, в простейшей водородной бомбе используются две ядерные реакции: цепная реакция деления взрывного типа и термоядерная реакция, протекающая в форме теплового взрыва. Бомба называется водородной, потому что главной (но отнюдь не единственной) составляющей частью ее заряда являются различные изотопы водорода.

Мощность взрыва водородной бомбы может превосходить во много раз мощность взрыва атомной бомбы. По сообщениям американской печати, тротиловый эквивалент водородных устройств, взорванных в 1954 г. на острове Бикини, составлял миллионы тонн. Эти устройства весили несколько десятков тонн и представляли собой громоздкие сооружения, смонтированные на земле. Советский Союз шел впереди США в отношении созданий водородных бомб. Известно, например, что тротиловый эквивалент советской водородной бомбы (именно бомбы, а не наземной специально собранной установки), взорванной в 1955 г. в соответствии с планом научно-исследовательской работы, составлял несколько миллионов тонн. По сообщению ТАСС от 27 ноября 1955 г., взрыв этой бомбы был «наиболее мощным из всех, какие только производились до настоящего времени». Чтобы лучше представить себе, насколько велика мощность этого взрыва, можно указать, например, что, по подсчетам немецких ученых, суммарная мощность взрыва всех бомб, сброшенных на территории Германии в течение всей второй мировой войны, равна приблизительно 1 млн. 350 тыс. т тротила.

Мощность водородной бомбы можно существенно увеличить, если быстрые нейтроны, получающиеся в большом количестве при термоядерной реакции с водородом, использовать для новой реакции деления. Как мы знаем, быстрые нейтроны делят как ядра урана 235, так и ядра урана 238, из которых состоит в основном обычный природный уран. Если поэтому корпус водородной бомбы сделать из обычного урана, то при воздействии быстрых нейтронов ядра этого урана будут делиться, освобождая соответствующую энергию и увеличивая тем самым силу взрыва. Мощность такой водородно-урановой бомбы обусловлена уже не двумя, а тремя ядерными реакциями: цепной реакцией деления заряда ядерного ВВ, термоядерной реакцией смеси изотопов водорода и реакцией деления ядер урана корпуса бомбы.

При достаточной толщине урановой оболочки мощность, выделяемая при делении ее ядер, оказывается весьма большой. В этом случае можно ограничиться небольшим количеством смеси дейтерия и трития, взрыв которой будет служить не столько для получения энергии (энергию даст уран оболочки), сколько для образования достаточно мощного потока нейтронов, вызывающих деление урана оболочки.

По сообщениям зарубежной печати, до 80% энергии взрыва водородно-урановой бомбы получается за счет реакции деления урана. Преимуществом такой бомбы является также и то, что увеличение мощности достигается использованием относительно дешевого (по сравнению, например, с дейтерием и тритием) вещества, каким является природный уран.

В настоящее время, судя по опубликованным данным за границей, специалисты работают над созданием особо крупных водородных бомб с тротиловым эквивалентом 40–50 млн. т. Одновременно с увеличением мощности водородных бомб работа идет и по пути уменьшения их калибра и веса. По сведениям зарубежной печати, возможность создания водородных бомб малого калибра доказана испытаниями, проведенными в последние годы. Сообщается, что водородные бомбы малого калибра могут быть использованы для снаряжения зенитных управляемых снарядов, самолетов-снарядов, летящих без пилота, и ракет.

2. Действие ядерных взрывов

Чтобы познакомить читателя с разнообразными действиями атомных и термоядерных (кратко ядерных) взрывов, рассмотрим сначала внешнюю картину такого взрыва.

Ядерный взрыв может быть произведен в воздухе, у поверхности земли (воды), а также в земле или воде. Взрыв, произведенный в воздухе на высоте нескольких сот метров, называется воздушным ядерным (атомным) взрывом. Взрыв, который производится на поверхности земли (воды) или в непосредственной близости от нее па высоте нескольких десятков метров, называется наземным (надводным) взрывом. Наконец, ядерный взрыв, произведенный в земле (воде), называется соответственно подземным или подводным взрывом.

Если ядерный взрыв происходит в воздухе, то вначале наблюдается ослепительно яркая вспышка, освещающая окружающую местность на десятки и даже сотни (в зависимости от калибра) километров и сопровождающаяся громоподобными звуками. Вслед за этим в месте взрыва образуется светящийся огненный шар, также видимый на очень большом расстоянии. Этот шар состоит из раскаленных очень разреженных газов и паров, входящих в состав атмосферного воздуха, и продуктов взрыва («осколков» деления урана или плутония и элементов, входивших в конструкцию самой бомбы).

Так как за время взрыва, измеряемое, как известно, несколькими миллионными долями секунды, выделяется огромное количество энергии, причем около 80% ее выделяется в виде тепла, то максимальная температура внутри шара достигает нескольких миллионов и даже десятков миллионов градусов, а давление — многих миллиардов атмосфер.

Диаметр огненного шара составляет десятки метров при взрыве бомб малого и среднего калибра и достигает нескольких километров при взрыве водородных бомб большого калибра. С течением времени размеры шара увеличиваются, а температура понижается.

Для бомбы с тротиловым эквивалентом 20 тыс. т диаметр шара по истечении 0,0001 секунды составляет 25 м, а температура его поверхности — примерно 300 тыс. градусов. Яркость его в это мгновение при наблюдении с расстояния в 9 км примерно в 100 раз больше, чем яркость Солнца в ясный летний день. Через несколько десятых долей секунды диаметр шара достигает нескольких сот метров, а температура на его поверхности — 7–8 тыс. градусов.

Имея плотность меньшую, чем у окружающего воздуха, светящийся шар поднимается («всплывает») вверх на высоту 5–20 км и более, в зависимости от тротилового эквивалента бомбы. Вначале скорость подъема велика и составляет около 100 м/сек, затем она постепенно уменьшается. Через несколько секунд, когда свечение прекращается, поднимающийся шар принимает вид небольшого темного облака. Восходящие вслед за шаром потоки воздуха увлекают вверх пыль и дым, образуя пылевой столб. Облако имеет характерную для ядерного взрыва грибовидную форму. Внешняя картина воздушного взрыва атомной бомбы приведена на рис. 38. Таковы же внешние особенности и наземного взрыва.

^{Рис. 38. Взрыв атомной бомбы в воздухе. Видно грибовидное облако, развивающееся при взрыве}

Если атомная или водородная бомба взрывается в земле, то внешний вид взрыва зависит от глубины, на которой он производится. При взрыве бомбы на небольшой глубине внешние особенности такого взрыва мало отличаются от наземного или воздушного взрыва. Основное отличие заключается в образовании огромной воронки глубиной несколько десятков и диаметром несколько сот метров и выбросе большого количества грунта на расстояние до нескольких километров.

При подводном взрыве, внешний вид которого приведен на рис. 39, большое количество выброшенной воды образует водяной столб, достигающий высоты 1–3 км. На поверхности воды образуется волна, расходящаяся во все стороны; высота ее на расстоянии 1 км от места взрыва бомбы среднего калибра достигает 10 м.

^{Рис. 39. Взрыв атомной бомбы в воде. Видны столб воды и облако взрыва в первый момент их образования. Заметные на фотографии корабли-мишени позволяют судить о масштабах взрыва}

Какое же действие производят ядерные взрывы? Каковы их поражающие факторы?

Резкое повышение давления в огненном шаре при его образовании и последующем стремительном расширении производит сжатие окружающего воздуха, которое распространяется во все стороны со сверхзвуковой скоростью в виде воздушной ударной волны. Ударная волна является основным и самым мощным поражающим фактором ядерного взрыва: она разрушает сооружения и здания, наносит значительные повреждения боевой технике, имуществу и поражения людям.

Действие ударной волны зависит от количества энергии, выделяющейся при взрыве, и времени, в течение которого эта энергия выделяется. Чем больше энергия и чем короче это время, тем сильнее действует ударная волна. При ядерном взрыве колоссальное количество энергии выделяется за несколько миллионных долей секунды, причем почти 50% этой энергии переносится ударной волной. Взрыв же обычной авиационной бомбы, дающий значительно меньше энергии, протекает в течение нескольких тысячных и даже сотых долей секунды. Отсюда становится понятным, почему разрушающее действие ядерного взрыва значительно превосходит действие взрыва обычного взрывчатого вещества.

Установлено, что воздушная ударная волна может разрушать здания и технику, наносит тяжелые поражения людям, если избыточное давление в волне превышает 0,5 кг/см². На каком же удалении от места ядерного взрыва наблюдается такое действие? Имеющиеся по этому вопросу в печати сведения весьма разноречивы. Это объясняется главным образом тем, что, помимо калибра бомбы, действие ударной волны, как и других поражающих факторов ядерного взрыва, сильно зависит от местных условий (рельефа местности, характера зданий и техники, времени года, погоды и т. п.), которые могут быть весьма разнообразными и не всегда учитываются. Если, например, взрыв происходит на сильно пересеченной местности, то на обратных скатах, обращенных в противоположную сторону от взрыва, степень разрушения сооружений и поражения людей будет меньше, чем на прямых скатах, обращенных в сторону взрыва. Поэтому цифры, приводимые ниже (взятые из иностранной печати), следует рассматривать как примерные, весьма ориентировочные.

При воздушном взрыве атомной бомбы среднего калибра (высота взрыва 600–700 м над поверхностью земли) тяжелые разрушения от действия ударной волны наблюдаются на расстоянии до 1,2 км от эпицентра взрыва^[8]. Площадь зоны тяжелых разрушений составляет около 4,5 км². Внутри этой зоны могут быть разрушены кирпичные и каменные здания, самолеты, специальные и транспортные автомашины и т. п. Предполагается, что до 80% людского состава, находящегося в этой зоне вне укрытий, будет выведено из строя. Тяжелые разрушения у самолетов, находящихся на земле, могут наблюдаться на расстоянии до 1,6 км от эпицентра взрыва. Деревянные здания барачного типа разрушаются на расстоянии до 1,8 км.

Значительные разрушения могут наблюдаться на расстоянии до 2,2–2,4 км и легкие — на расстоянии до 3,3 км от эпицентра. Что касается поражения людей, то в зоне значительных разрушений может быть выведено до 60% людского состава, находящегося вне укрытий, а в зоне легких разрушений — до 20%. При этом следует иметь в виду, что, помимо прямого (непосредственного) действия, ударная волна ядерного взрыва оказывает на людей еще косвенное действие, когда люди поражаются обломками разрушающихся зданий и летящих под влиянием ударной волны предметов. По данным иностранной печати, при атомном взрыве в г. Хиросима до 50% смертельных ранений было вызвано действием ударной волны, причем основную роль здесь играло косвенное воздействие этой волны.

Приведенные выше данные относятся к бомбе с тротиловым эквивалентом 20 тыс. т. При увеличении калибра бомбы радиус поражения тех же объектов соответственно увеличивается. Так, по данным немецких ученых, радиус зоны тяжелых разрушений от взрыва водородной бомбы стротиловым эквивалентом 45 млн. т может составить около 16 км. При этом следует иметь в виду, что если водородная бомба превосходит по мощности атомную бомбу, например, в 1000 раз, то радиус разрушительного действия ее будет больше не в 1000, а лишь в 10 раз. Это объясняется тем, что радиус действия ударной волны взрыва растет пропорционально корню кубическому из энергии взрыва.

Наземный ядерный взрыв по действию его ударной волны приближается к воздушному взрыву. Что касается подземного ядерного взрыва, то здесь имеется отличие; подземный взрыв является источником двух ударных волн: сейсмической волны, распространяющейся в земле и подобной тем упругим сейсмическим волнам, которые распространяются в земной коре при землетрясениях, и воздушной ударной волны. Сейсмическая ударная волна, образующаяся при подземном взрыве атомной бомбы с тротиловым эквивалентом 20 тыс. т, причиняет тяжелые разрушения капитальным зданиям в зоне радиусом 1 км. Радиус зоны разрушения воздушной ударной волны в этом случае примерно в 2 раза меньше, чем при воздушном взрыве.

Мы познакомились с действием ударной волны, являющейся первым и основным поражающим фактором ядерного взрыва. Мощное световое излучение, источником которого служит огненный шар, является вторым поражающим фактором этого взрыва. Благодаря высокой температуре шара около 33% всей энергии ядерного взрыва превращается в энергию светового излучения, которое продолжается всего лишь несколько секунд. Но оно настолько сильное, что несмотря на кратковременность действия, может вызвать ожоги открытых участков тела и временное ослепление, если смотреть в сторону взрыва. Ожоги световым излучением не отличаются от ожогов огнем или кипятком. Они тем сильнее, чем меньше расстояние от центра взрыва и больше время воздействия светового излучения. Световое излучение может зажигать или обугливать и оплавлять многие материалы. Таким образом, световое излучение способно поражать людской состав и наносить повреждения боевой технике и разному имуществу, усиливая тем самым действие ударной волны взрыва.

Ожоги кожи возникают обычно на незащищенных частях тела, обращенных в сторону взрыва. По сведениям зарубежной печати, световое излучение воздушного взрыва атомной бомбы с тротиловым эквивалентом 20 тыс. т способно вызывать ожоги 3 степени (тяжелые ожоги) у незащищенных людей на расстоянии до 1,9 км, ожоги 2 степени — на расстоянии до 2,7 км и ожоги 1 степени (легкие ожоги) — на расстоянии до 3,2 км. С увеличением калибра бомбы радиус поражения световым излучением при достаточно чистом (прозрачном) воздухе возрастает приблизительно пропорционально корню квадратному из энергии взрыва.

Поражающее действие светового излучения сильно зависит от прозрачности (чистоты) атмосферы. Дело в том, что свет, проходя через атмосферный воздух, ослабляется вследствие рассеяния и поглощения его. Наличие в воздухе пыли, дыма, частиц воды в виде тумана или облаков увеличивает это ослабление. Поэтому, например, туман или низкая слоистая облачность могут значительно ослабить поражающее действие светового излучения ядерного взрыва.

При наземном взрыве поражающее действие светового излучения несколько меньше, чем при воздушном взрыве. Это объясняется тем, что пыль, поднимаемая взрывом, увеличивает поглощение и рассеяние света.

Кроме ударной волны и светового излучения, ядерный взрыв сопровождается еще радиоактивным излучением и испусканием нейтронов. Радиоактивное излучение, состоящее из бета- и гамма-лучей, испускается «осколками» деления, а также за счет искусственной радиоактивности веществ окружающей среды, возбуждаемой нейтронами. Бета-лучи быстро поглощаются атмосферным воздухом и большой роли в поражающем действии ядерного взрыва не играют. Потоки гамма-лучей и нейтронов, обладающие большой проникающей способностью, составляют проникающую радиацию ядерного взрыва, на долю которой приходится несколько меньше 17% всей энергии, которая выделяется при взрыве.

Проникающая радиация оказывает вредное биологическое действие на людей и при достаточно большой дозе может вызывать лучевую болезнь. Большие дозы проникающей радиации вызывают потемнение стекла оптических приборов, засвечивают фотопленку и фотобумагу. На боевую технику проникающая радиация не оказывает вредного влияния.

Проникающая радиация представляет собой третий поражающий фактор ядерного взрыва, имеющий в сравнении с ударной волной и световым излучением меньшее значение. Поражающее действие проникающей радиации наблюдается в течение примерно 10–15 секунд, причем нейтроны, входящие в состав проникающей радиации, действуют лишь несколько десятых долей секунды после взрыва. За это короткое время половина людского состава, находящегося вне укрытий на расстоянии 1,2 км от эпицентра воздушного взрыва бомбы с тротиловым эквивалентом 20 тыс. т, может получить опасные для жизни дозы радиации.

Наземный взрыв по действию его проникающей радиации приближается к воздушному взрыву. При подземном взрыве проникающая радиация будет значительно слабее, чем при воздушном взрыве. Особенность подземного взрыва состоит в том, что земля, выброшенная из воронки, оказывается сильно радиоактивной и заражает значительный район вокруг места взрыва. При взрыве бомбы с тротиловым эквивалентом 20 тыс. т радиус зоны заражения может достигать 6,5 км при скорости ветра 9 м/сек, а в противоположном направлении — 1,2 км. При наземном взрыве также образуется воронка и тоже происходит заражение местности, но только в значительно меньших размерах.

Радиоактивное заражение местности происходит и при воздушном ядерном взрыве. Дело в том, что при этом взрыве в атмосферу вносится в виде пыли большое количество радиоактивных веществ. Это — главным образом продукты деления («осколки») урана и плутония и частично вещества, радиоактивность которых наведена действием излучений самого взрыва; встречается также плутоний 239, не разделившийся при взрыве. Эта радиоактивная пыль выпадает затем на землю в виде радиоактивных осадков, заражая местность как в районе взрыва, так и по пути движения облака, образующегося при взрыве. В дополнение к осадкам некоторое количество радиоактивных веществ в почве и воде в районе взрыва получается под действием нейтронов.

Радиоактивные вещества являются, как мы знаем, источником радиоактивных лучей, которые, как и проникающая радиация, вредно действуют на людей. Помимо внешнего облучения, эти радиоактивные вещества могут представлять опасность при попадании внутрь организма. Поэтому радиоактивные осадки, сопровождающие ядерный взрыв, представляют собой четвертый поражающий фактор этого взрыва.

Таким образом, ядерный взрыв имеет четыре совместно действующих поражающих фактора: ударную волну, световое излучение, проникающую радиацию и радиоактивные осадки. В силу этого ядерное оружие в отличие от обычного оружия обладает комбинированным поражающим действием. Исходя из этого и строится противоатомная защита, то есть защита людей и техники от действия ядерного оружия.

Основным средством защиты являются специально оборудованные в земле укрытия. Даже обычный окоп полного профиля может спасти людей от ожогов, вызываемых световым излучением, значительно ослабить поражение проникающей радиацией и уменьшить действие ударной волны примерно в 4 раза. Действие атомной бомбы с тротиловым эквивалентом 20 тыс. т на людей, находящихся в окопах или траншеях полного профиля, наблюдается лишь вблизи от эпицентра взрыва: на расстоянии до 700–750 м от ударной волны, до 400 м — от светового излучения и до 550 м — от проникающей радиации. Таким образом, старая поговорка «Окоп — лучший друг солдата» остается в силе и в век ядерного оружия.

Закрытые убежища даже легкого типа предохраняют полностью войска от поражения световым излучением; радиус поражения ударной волной уменьшается до 400 м; степень поражения проникающей радиацией уменьшается в зависимости от толщины покрытия убежиша. Еще более надежным укрытием для людей и техники служат дерево-земляные сооружения противовоздушной обороны, построенные с учетом требований противоатомной защиты.

Свойства ядерного оружия в настоящее время хорошо изучены, разработка средств зашиты от его действий далеко шагнула вперед. Защита от ядерного оружия, обладающего комбинированным действием, требует принятия специальных мер против воздействия ударной волны, светового излучения и проникающей радиации. При этом не следует только забывать, что разные поражающие факторы ядерного взрыва действуют в течение разных промежутков времени. Световое излучение распределяется с очень большой скоростью, равной 300 000 км/сек. Поэтому вспышка ядерного взрыва видна в момент самого взрыва. Все незащищенные объекты подвергаются воздействию светового излучения в течение 2–3 секунд после взрыва. Гамма-лучи, являющиеся основной составной частью проникающей радиации, распространяются также со скоростью света и действуют сразу же после взрыва в течение примерно 10–15 сек. Наконец, ударная волна, распространяясь со сверхзвуковой скоростью, проходит километр за 2 сек., два километра — за 5 сек., три километра — за 8 сек. Таким образом, находясь вне укрытия и увидев вспышку ядерного взрыва, можно еще быстро (за 2–3 сек.) укрыться в щели, траншее, придорожном кювете или воронке от снаряда или бомбы, находящихся в двух — трех шагах. Тем самым доза проникающей радиации и воздействие ударной волны будут значительно уменьшены. Пусть, например, человек находился на расстоянии 2 км от места взрыва, когда увидел его вспышку. Если он сразу же укроется в рядом находящейся воронке, то ударная волна, пробегающая 2 км за 5 сек., достигнет его местонахождения, когда он будет уже в укрытии.

В этой книжке, посвященной физическим основам получения ядерной энергии, не представляется возможным подробно останавливаться на вопросах противоатомной защиты. Однако уже те примеры, которые приведены выше, показывают, что воины, знающие свойства ядерного оружия и хорошо подготовленные к действиям в условиях его применения, могут успешно выполнять свою боевую задачу.

3. Радиоактивное загрязнение атмосферы

Представления читателя о действии ядерного оружия не будут полными, если не рассказать о том радиоактивном заражении земной атмосферы, которое вызывают ядерные взрывы.

Исследования последних лет показывают, что общее количество радиоактивных продуктов деления, распыляемых при ядерном взрыве в атмосфере, весьма велико. Особенно много их получается при взрыве водородно-урановых бомб. По данным зарубежной печати, полная активность продуктов деления атомной бомбы среднего калибра через одну минуту после взрыва достигает огромной величины, а именно 8∙10¹¹ кюри. Первое время после взрыва активность продуктов деления уменьшается быстро, так как большинство осколков имеет малый период полураспада и поэтому быстро «выходит из игры». К концу первого месяца активность продуктов деления уменьшается в несколько сот тысяч раз. В дальнейшем активность убывает медленнее, так как остаются долгоживущие изотопы с большим периодом полураспада.

Радиоактивная пыль поднимается взрывом на высоту более 30 км, после чего начинает постепенно оседать. Крупные частицы (100 микрон и более) опускаются сравнительно быстро и оседают в районе самого взрыва, заражая местность на площади в несколько квадратных километров. Мелкие частицы оседают медленнее. Подсчитано, что частицы с плотностью вещества 3 г/см³, имеющие диаметр около 1 микрона, опускаются за одну минуту всего на 0,6 см. При столь медленном оседании мельчайшая радиоактивная пыль уносится воздушными течениями, простирающимися над всей землей, и может выпадать на землю в виде радиоактивных осадков в любом месте земного шара.

Существование радиоактивных осадков, выпадающих далеко от места взрыва, стало известно в результате трагического случая, последовавшего за проведенными США 1 марта 1954 г. испытаниями водородных зарядов в Тихом океане. Вследствие перемены направления ветра несколько японских рыбаков, находившихся на расстоянии 75 миль от места испытаний, попали под радиоактивные осадки, вызвавшие у них тяжелую лучевую болезнь со смертельным исходом в одном случае.

К настоящему времени выяснено, что радиоактивные вещества, обязанные своим происхождением ядерным взрывам, перемещаются в атмосфере вокруг земного шара, создавая на высоте 8–12 км активный слой, состоящий главным образом из долгоживущих изотопов стронция 90, церия 144, цезия 137 и плутония 239. Заражение (или загрязнение) атмосферы радиоактивными веществами характеризуется концентрацией активности в воздухе, то есть количеством этих веществ, содержащихся в одном кубическом сантиметре воздуха.

Средняя концентрация активности атмосферного воздуха, вызванная ядерным взрывом, крайне мала и абсолютно безопасна. Если, например, продукты деления небольшой атомной бомбы, обладающие общей активностью 5 млн. кюри, распределятся равномерно вокруг всей Земли в слое воздуха толщиной 10 км, то концентрация радиоактивности составит всего около 10^-18 кюри на 1 см³. Это значительно меньше естественной активности воздуха (10^-7 кюри на 1 см³), которая обусловлена содержанием в нем радиоактивного газа — радона и продуктов его распада. Радон попадает в атмосферу в результате естественного самопроизвольного распада радия, имеющегося в земле. Сравнение цифр (10^-18 и 10^-7) показывает, что средняя концентрация активности атмосферного воздуха от одного ядерного взрыва в сотни миллиардов раз меньше его естественной активности. Следует, однако, учитывать, что распределение продуктов деления в атмосфере вокруг Земли не является в действительности равномерным и к тому же в результате испытаний атомных и водородных бомб, проводимых в настоящее время, происходит накопление в атмосфере и почве долгоживущих «осколков» деления. Отсюда видно, что возможность выпадения радиоактивных осадков не исключена в любом месте земного шара. Установлено, что в результате испытательных взрывов водородных бомб на островах Тихого океана радиоактивные осадки выпадают не только в Индии или Японии, но и в Англии, Франции и других странах. Чаще всего радиоактивные вещества выпадают из атмосферы на землю с дождем и снегом. Вот почему в настоящее время во многих странах организованы регулярные наблюдения за радиоактивным загрязнением атмосферы и почвы. Сеть пунктов наблюдения организована также и в Советском Союзе.

Ядерные взрывы могут представлять опасность для здоровья людей, находящихся за многие тысячи километров от района взрывов.

Из всех радиоактивных продуктов деления, загрязняющих атмосферу и почву, наибольшую опасность представляет стронций 90, период полураспада которого свыше 20 лет, и цезий 137, у которого период полураспада равен примерно 33 годам.

Проникая в организм человека и животных, стронций концентрируется в костях, вызывая возникновение злокачественных образований — костных сарком и белокровия. Стронций может попадать в организм с воздухом, которым мы дышим, а также с водой и пищей. Дело в том, что стронций, находящийся в почве, хорошо усваивается растениями, вместе с которыми поедается животными и человеком. Часть стронция, попавшего в организм животного (в частности коров), выделяется с молоком и вместе с ним также может попадать внутрь человека.

Радиоактивный изотоп цезий 137 тоже заражает атмосферу и почву. При своем распаде он испускает гамма-лучи, увеличивая тем самым естественное радиоактивное излучение атмосферы и земли. Энергия гамма-лучей поглощается телом человека и животных и может вызвать, как мы уже знаем, существенные изменения во всех тканях и органах. На основании изучения последствий атомных взрывов 1945 г. в городах Хиросима и Нагасаки и данных лабораторных экспериментов над животными ученые высказывают достаточно обоснованное предположение о том, что даже незначительные изменения, вызываемые гамма-излучением в живом организме, могут передаваться по наследству.

В настоящее время мировое общественное мнение испытывает глубокое и законное беспокойство в связи с опасностью, которую несут с собой испытания ядерного оружия. Хотя последствия таких испытаний изучены еще не достаточно, однако уже теперь виднейшие ученые мира предупреждают о том, что дальнейшее продолжение таких испытаний создает угрозу для здоровья людей.

4. Обнаружение ядерных взрывов на больших расстояниях

Проводимые в настоящее время испытания ядерного оружия способны в случае их продолжения заметно увеличить радиоактивное загрязнение атмосферы и почвы. Если эти испытания не прекратить, то со временем концентрация активности в воздухе может достичь величины, опасной для здоровья населения всего земного шара. Вот почему народы всего мира единодушны в своем требовании о прекращении испытаний ядерного оружия.

Из трех великих держав (США, СССР, Англия), производящих испытания атомных и водородных бомб, только Советское государство последовательно и настойчиво борется за прекращение гонки ядерных вооружений, за безоговорочное запрещение ядерного оружия, за прекращение его производства и уничтожение его запасов. Однако США и Англия под всякими предлогами уклоняются от достижения соглашения по этим жизненно важным для народов вопросам.

Поскольку достижение соглашения оказалось пока невозможным, Советское правительство в качестве первого шага к запрещению ядерного оружия предложило немедленное прекращение испытаний этого оружия. Правительства Индии, Швеции и ряда других стран также потребовали прекращения атомных испытаний. Японский народ, который первым ощутил последствия атомной войны и испытаний ядерного оружия, единодушно требует прекращения этих испытаний. Прекращения атомных испытаний и немедленного соглашения о приостановке этих испытаний потребовал Всемирный Совет Мира в своем Берлинском воззвании от 2 апреля 1957 г., решительно поддержанном народами всех стран.

Большое значение в этом отношении имеют заявления, сделанные знаменитым французским физиком Ф. Жолио-Кюри, учеными Западной Германии, Японии и ряда университетов США, к мнению которых присоединили свой голос ученые многих стран.

Советский народ решительно поддерживает позицию Советского правительства в вопросе о немедленном прекращении испытаний ядерного оружия. Новым выражением мирной политики Советского Союза явилось обращение седьмой сессии Верховного Совета СССР, состоявшейся в мае 1957 г., к конгрессу США и парламенту Великобритании. В этом обращении, исполненном серьезной тревоги за судьбы человечества, Верховный Совет призвал высшие законодательные органы этих двух государств содействовать достижению соглашения между правительствами СССР, США и Великобритании о немедленном прекращении испытаний ядерного оружия. Мирная инициатива Верховного Совета СССР нашла широкий отклик у всех народов земли.

Однако правящие круги США и Англии, заинтересованные в продолжении гонки вооружений, препятствуют достижению соглашения о прекращении или хотя бы о приостановке ядерных испытаний. Некоторые политические деятели капиталистического мира, выступая за продолжение ядерных испытаний, заявляют о возможности якобы тайного проведения этих испытаний. Подобные заявления лишены оснований и опровергаются практикой современного физического эксперимента.

Ядерный взрыв, произведенный в любом месте, на территории любого, даже самого обширного государства, не может в настоящее время остаться в тайне, а будет безошибочно зарегистрирован далеко за пределами этого государства. Для этого могут быть использованы и используются следующие дополняющие друг друга способы:

1) регистрация сейсмических волн, возбуждаемых в земной коре ядерными взрывами;

2) регистрация упругих волн, распространяющихся в атмосферном воздухе на большие расстояния от места взрыва;

3) определение радиоактивности выпадающих атмосферных осадков (дождя и снега);

4) определение концентрации активности воздуха на разных высотах.

Все эти способы в совокупности дают возможность безошибочно установить факт проведения ядерного взрыва и, кроме того, определить с достаточной точностью место и силу взрыва и даже тип бомбы.

Таким образом, советские предложения о немедленном запрещении испытаний ядерного оружия поддаются контролю, они не связаны с какими-либо сложными организационными мероприятиями и вполне осуществимы.

Пытаясь дезориентировать народные массы, требующие прекращения испытаний ядерных бомб, американские «атомные» мракобесы, прикрывающиеся иногда ученым званием, утверждают, что может быть создана, или даже уже почти создана, так называемая «чистая» водородная бомба, взрывы которой будто бы не оставят радиоактивной пыли, загрязняющей атмосферу, и поэтому не будут угрожать здоровью населения земного шара. Группу пропагандистов этой «чистой» бомбы возглавляет руководитель радиологической лаборатории Калифорнийского университета в Беркли профессор Эдуард Теллер, давно уже воспевающий в своих статьях и «научных исследованиях» планы атомной агрессии.

Теллеровскую легенду о «чистой» водородной бомбе охотно подхватили ответственные руководители как в Соединенных Штатах, так и в Англии. Но она вызвала возмущение в прогрессивных кругах. Достойную отповедь дает ей американский журнал «Сатердей ревью оф литератур». «Мы говорим, — пишет этот журнал, — о „чистых“ водородных бомбах так, будто мы имеем в виду высшую цель морального совершенствования. Каким чудовищным воображением нужно обладать, чтобы связать слово „чистый“ с устройством, которое может воспламенить города и превратить в пепел миллионы людей!».

«Чистые» и «нечистые» атомщики всячески стараются помешать решению в ООН вопроса о разоружении и запрещении атомного оружия. Американские, а вслед за ними и английские империалисты встречают в штыки неоднократно предлагаемую Советским правительством четкую, ясную и реальную программу прекращения испытаний ядерного оружия, программу, открывающую возможность соглашения о запрещении этого оружия.

(обратно)

VII. ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ

1. Общие сведения

Для получения ядерной энергии как источника тепловой, механической и электрической энергии необходимо, чтобы энергия выделялась постепенно с регулируемой по желанию мощностью.

Однако чистый уран 235 или плутоний 239, используемый в атомной бомбе, не годится в качестве ядерного горючего для этой цели, так как цепная реакция, осуществляемая в нем на быстрых вторичных нейтронах, протекает в виде взрыва.

Посмотрим, как ведет себя в этом отношении природный уран. Блуждающие (свободные) нейтроны, необходимые для начала ядерной реакции, всегда найдутся, если только взять кусок урана достаточно больших размеров. Нейтроны возникают главным образом за счет самопроизвольного деления ядер урана. Например, в куске урана массой 1 кг в каждую секунду происходит около 6–7 делений, в результате чего ежесекундно возникает 15–18 быстрых свободных нейтронов. Кроме того, небольшое число таких нейтронов может возникать под действием космического излучения. Энергия быстрых нейтронов (2 Мэв) вполне достаточна для деления ядер как урана 235, так и урана 238, входящих в состав природного урана.

Однако, несмотря на эти, казалось бы, благоприятные условия, цепная реакция в куске природного урана сколь угодно большой величины не «зажигается», если не принять некоторых дополнительных мер. Дело в том, что быстрые нейтроны уже после нескольких столкновений с ядрами теряют скорость и перестают делить ядра урана 238. Поэтому цепная реакция в уране может идти только за счет ядер урана 235, которые делятся как быстрыми, так и медленными (тепловыми) нейтронами. Но урана 235 содержится в природном уране всего только 0,7%. Поэтому нейтроны сталкиваются чаще с ядрами урана 238 и в большинстве своем поглощаются ими без последующего деления.

Нельзя ли все же сделать так, чтобы цепная реакция в природном уране стала возможной? Оказывается, можно и притом двумя способами.

Первый способ связан с использованием замедленных нейтронов. Физические основы его следующие. Ядра урана 235 делятся любыми нейтронами, причем медленными даже лучше, чем быстрыми. Медленные же нейтроны не захватываются ураном 238 и не вызывают деления его ядер. Поэтому, если нейтроны, возникающие при делении, замедлять раньше, чем они будут сталкиваться с ядрами урана 238, то цепная реакция станет возможной.

Для этого необходимо блоки урана в виде кирпичиков или стержней расположить вперемежку со слоями какого-либо легкого вещества, при столкновении с ядрами которого нейтроны замедляются (но не поглощаются). Медленные нейтроны в большинстве своем будут двигаться в природном уране до тех пор, пока не столкнутся с ядром урана 235 и не произведут его деление. При этих условиях медленные нейтроны обеспечат развитие цепной реакции деления урана 235, несмотря на то, что этого изотопа в уране содержится почти в 140 раз меньше, чем основного изотопа 238. Те же нейтроны, которые все же будут поглощены ураном 238, вызовут превращение его в плутоний 239. Схема цепной реакции с замедлителем в природном уране приведена на рис. 40.

^{Рис. 40. Схема цепной реакции с замедлителем нейтронов в природном уране}

В качестве замедлителя нейтронов применяют на практике тяжелую воду, легкий металл — бериллий или, наконец, графит. Замедление является результатом упругих столкновений нейтронов с ядрами атомов замедлителя. Нейтроны и ядра замедлителя ведут себя в этих столкновениях, как упругие биллиардные шары. В случае центрального (лобового) удара движущийся биллиардный шар, столкнувшись с неподвижным шаром, останавливается, то есть замедляется полностью. При косых соударениях, которые чаще имеют место, шары замедляются только частично и после удара не останавливаются, а движутся, но с меньшей скоростью. Таким образом, движущийся биллиардный шар всегда замедляется, то есть всегда теряет часть своей энергии (скорости) при соударениях с неподвижным шаром. Аналогично этому ведут себя и нейтроны. После ряда упругих столкновений с ядрами замедлителя, которые можно считать неподвижными, быстрый нейтрон теряет значительную часть своей энергии (скорости) и становится медленным, скорость его движения сравнивается со скоростью теплового движения частиц окружающей среды.

В механике доказывается, что при упругом соударении двух шаров наибольшая потеря энергии будет в случае, когда массы шаров равны. Этот закон применим и к нейтронам с тем только отличием, что шары не могут поглотить друг друга, а с нейтроном при соударении с ядром такое может случиться. Обыкновенная вода, содержащая водород, ядра которого (протоны) имеют массу, приблизительно равную массе нейтрона, была бы наилучшим замедлителем, если бы не поглощала нейтронов. Всего 18 столкновений с протонами требуется в среднем быстрому нейтрону, чтобы стать медленным. К сожалению, протоны поглощают часть сталкивающихся с ними нейтронов, снижая тем самым коэффициент их размножения и скорость развития цепной реакции.

Практически лучшим замедлителем является тяжелая вода, в состав которой входит тяжелый водород — дейтерий. Ядра дейтерия (дейтроны) в 2 раза тяжелее нейтронов. Поэтому число столкновений с дейтронами, которое должен в среднем испытать быстрый нейтрон, чтобы скорость его уменьшилась до тепловой, составляет в среднем 25, а не 18, как у обычного водорода. Некоторое увеличение числа необходимых столкновений с лихвой компенсируется тем, что дейтроны совсем не поглощают нейтронов.

Несколько хуже по своим замедляющим свойствам бериллий и графит (углерод). Но так как тяжелая вода является сравнительно дорогим продуктом, чаще всего в качестве замедлителя применяют хорошо очищенный графит — значительно более доступный и дешевый материал.

Имеется второй способ осуществления цепной реакции без взрыва, основанный на искусственном увеличении в уране процентного содержания легкого изотопа — урана 235, то есть в применении так называемого обогащенного урана. В обогащенном уране нейтроны чаще сталкиваются с ядрами урана 235 и производят их деление с испусканием новых нейтронов. Поэтому, если взять кусок обогащенного урана достаточной величины, то число возникающих нейтронов будет столь велико, что, несмотря на потерю части их вследствие поглощения ядрами урана 238 и утечки за пределы куска, коэффициент размножения K будет равен единице. Масса и размеры такого куска называются соответственно критическими. Чем больше степень обогащения, то есть процент содержания урана 235, тем меньше при прочих равных условиях критические размеры и масса.

Используемое в атомной бомбе ядерное ВВ представляет собой максимально обогащенный уран, содержащий изотоп 235 в количестве более 90%. В установках для получения ядерной энергии в промышленных целях столь высокая степень обогащения не требуется.

Осуществление цепной реакции без взрыва возможно также путем применения обоих рассмотренных нами способов, то есть с одновременным использованием замедлителя нейтронов и обогащенного урана.

Цепная реакция без взрыва называется управляемой, или контролируемой, так как скорость (мощность) ее можно регулировать. Для этого применяют так называемые управляющие (регулирующие) стержни, содержащие вещества, хорошо поглощающие нейтроны (кадмий, бор и др.). Вдвигая или выдвигая такие стержни внутрь объема, занятого ураном с замедлителем, можно изменять число нейтронов, производящих деления, и тем самым изменять коэффициент размножения K. Изменяя величину K, получаем возможность управлять скоростью цепной реакции и, следовательно, регулировать ее мощность.

Тут же необходимо заметить, что возможность управления цепной реакцией в уране обусловлена исключительно наличием в нем запаздывающих нейтронов. Без этих нейтронов, если бы реакция шла на одних мгновенных нейтронах, регулирование скорости реакции было бы невозможно. Действительно, от момента вылета мгновенного нейтрона до поглощения его каким-либо ядром проходит всего 0,001 сек. Поэтому при K>1 цепная реакция на мгновенных нейтронах развивается столь стремительно, что невозможно обычными техническими средствами «успеть» за ней. Наличие запаздывающих нейтронов, вылетающих с задержкой до 80 сек., делает возможным управление реакцией при значениях коэффициента размножения K, близких к единице.

Такое устройство, в котором осуществляется управляемая цепная реакция, называется ядерным, или атомным, реактором.

2. Принципиальная схема ядерного реактора

В настоящее время наиболее распространены уран-графитовые реакторы, в которых природный уран является ядерным горючим, а графит — замедлителем. Принципиальная схема такого реактора дана на рис. 41. В средней части реактора внутри большого остова из графита 1 расположены стержни 2 из природного урана, покрытого алюминиевой оболочкой. Диаметр урановых стержней рассчитывается так, чтобы нейтроны, возникающие при делении, не испытывали много столкновений в уране, а быстро выходили в замедлитель. Иначе уран 238 может поглотить много нейтронов. Замедляясь в графите, быстрый нейтрон становится тепловым и после ряда столкновений с ядрами замедлителя и тяжелого изотопа урана 238 встретится в конце концов в каком-нибудь урановом стержне с ядром урана 235 и произведет его деление. При этом вновь появятся быстрые нейтроны, чем и поддерживается цепная реакция.

^{Рис. 41. Принципиальная схема уран-графитового ядерного реактора:}

^{1 — графит; 2 — уран; 3 — отражатель; 4 — защитная бетонная стенка; 5 — теплообменник; 6 — вода или газ; 7 — насос; 8 — управляющий стержень; 9 — ионизационная камера; 10 — усилитель тока ионизационной камеры; 11 — электромоторы}

Графит с урановыми стержнями образуют активную зону реактора, которая окружается отражателем 3, то есть веществом, отражающим нейтроны, движущиеся наружу, обратно в активную зону, и тем самым уменьшающим необходимые для развития цепной реакции критические размеры реактора. Отражение нейтронов — сложный процесс, в котором используются такие же упругие столкновения нейтронов с ядрами отражателя, которые происходят в замедлителе. Поэтому в качестве отражателя нейтронов может быть использован тот же графит (углерод).

После ряда столкновений с ядрами углерода небольшая часть нейтронов вернется обратно в активную зону реактора и примет участие в цепной реакции. Значительная же часть нейтронов все же выходит наружу. Поэтому реактор окружается так называемой биологической защитой, чаще всего бетонной стенкой 4, предохраняющей обслуживающий персонал от вредного действия нейтронного и радиоактивного излучения. Толщина бетона бывает разной в зависимости от мощности реактора и иногда доходит до 3 м и более.

В любом куске урана, а следовательно, и в уран-графитовом реакторе, независимо от того, идет ли в нем цепная реакция или нет, непрерывно выделяется ядерная энергия. Это происходит за счет самопроизвольного деления ядер урана.

Выше уже говорилось о том, что в 1 кг урана за 1 секунду происходит в среднем около 6–7 делений. Принимая во внимание это число и учитывая, что в каждом делении освобождается в виде тепла около 160 Мэв ядерной энергии, можно подсчитать, мощность выделяемой за счет самопроизвольного деления энергии. Это будет начальная мощность реактора. Для реактора, в который загружено около 1 т природного урана, начальная мощность составляет менее 10^-10 квт. Это, конечно, ничтожная мощность, но ее вполне достаточно для начала цепной реакции.

Количество загружаемого в реактор урана должно превышать критическую массу. Одной из причин этого является необходимость получить коэффициент размножения больше единицы, так как только при этом условии возможно увеличить количество нейтронов, а следовательно, и число делений в 1 секунду до значения, обеспечивающего работу реактора с заданной мощностью. Чтобы цепная реакция не началась преждевременно, загрузка урана производится при полностью введенных управляющих стержнях 8, изготовленных из металлического кадмия или бористой стали. Поглощение нейтронов стержнями при таком их положении приводит к уменьшению коэффициента размножения (K<1) и препятствует началу цепной реакции.

При пуске реактора стержни следует выдвинуть из активной зоны настолько, чтобы коэффициент размножения нейтронов стал немного больше единицы. Тогда количество нейтронов и число делений, вызываемых ими, станет возрастать. Соответственно будет увеличиваться и мощность выделяемой энергии. При коэффициенте размножения K=1,005 мощность реактора увеличится в 2,7 раза примерно через 10 сек., в 7,3 раза через 20 сек. и т. д. В первые минуты мощность растет медленно, а в последующем все быстрее и быстрее, как это показано на рис. 42.

^{Рис. 42. Установление заданной мощности при пуске реактора}

Когда мощность достигнет заданной величины, необходимо, несколько опустив управляющие стержни, уменьшить коэффициент размножения и сделать его равным единице; тогда реактор станет работать с постоянной мощностью.

По мере работы реактора в урановых стержнях будет «выгорать» уран 235 и накапливаться плутоний 239. Это обстоятельство, а также поглощение нейтронов «осколками» деления, накапливающимися в стержнях, приводит к постепенному уменьшению коэффициента размножения K. Для устойчивой работы реактора нужно компенсировать это уменьшение K, выдвигая постепенно управляющие стержни из активной зоны.

Управление работой ядерного реактора производится управляющими стержнями 8 автоматически. Контроль за работой осуществляется с помощью особой ионизационной камеры 9, снабженной соответствующим усилителем 10. Когда в реакторе образуется нейтронов больше, чем нужно, и реакция ускоряется, камера сама включает электромоторы 11, которые вдвигают управляющие стержни. Реакция начинает идти медленнее. Если реакция протекает медленнее, чем нужно, стержни автоматически выдвигаются.

Время от времени уран из реактора удаляется, и из него выделяется накопившийся там плутоний 239, который может быть использован для цепной реакции взрывного типа. Остановка реактора, необходимая для этого, осуществляется с помощью тех же управляющих стержней, путем их полного введения внутрь реактора, или дополнительных таких же стержней, специально предназначенных для этой цели (аварийных, или стоп-стержней).

Так как во время работы реактора в нем выделяется огромное количество ядерной энергии, превращающейся в теплоту, то для того, чтобы реактор не расплавился, выделяющееся тепло необходимо отводить наружу в теплообменник или нагреватель.

Для вывода тепла из реактора можно применять воду при высоком давлении, прогоняя ее насосом 7 (рис. 41) по специальным каналам, или какой-либо газ (гелий, углекислый газ и т. п.), или расплавленный металл (калий, натрий, свинец и т. д.). Вещества, которые непрерывно циркулируют через реактор и отводят выделяющееся там тепло в теплообменник, называются теплоносителями. Теплоноситель не должен поглощать нейтроны, движущиеся в активной зоне реактора, должен быть химически устойчивым при температурах, господствующих в реакторе. Выбор теплоносителя определяется еще и тем, какую температуру требуется получить в теплообменнике.

Применение для отвода тепла газов или расплавленных металлов позволяет получать в теплообменнике более высокую температуру. Чем выше температура в теплообменнике, тем больше будет коэффициент полезного действия установки, использующей тепло реактора. Современные реакторы работают при температуре 250–600 градусов.

Ядерные реакторы, содержащие ядерное горючее в виде отдельных стержней или блоков, получили название гетерогенных реакторов. Существуют и так называемые гомогенные реакторы, в которых ядерное горючее равномерно смешано с замедлителем. Это может быть сплав, раствор или простая механическая смесь расщепляющегося материала или какого-либо его соединения с тем или иным замедлителем.

Гомогенные реакторы по конструкции и эксплуатации в некоторых отношениях значительно проще гетерогенных. Так, например, в случае жидкой гомогенной системы отпадает необходимость в особом теплоносителе, ибо в этом случае теплоносителем может служить сама смесь горючего и замедлителя, прогоняемая насосом 1 через реактор 2 и теплообменник 3 (рис. 43). Упрощается и управление реактором. Последнее может быть осуществлено путем автоматической добавки или отнятия некоторой части смеси. Однако ядерное горючее для гомогенных реакторов должно быть обязательно обогащенным, за исключением того случая, когда в качестве замедлителя применяется тяжелая вода.

^{Рис. 43. Схема гомогенного ядерного реактора: 1 — насос; 2 — реактор; 3 — теплообменник}

В зависимости от назначения реакторы можно разделить на несколько групп:

1. Исследовательские реакторы, предназначенные для научных физических и технических исследований.

2. Энергетические реакторы, предназначенные для производства атомной (ядерной) энергии и превращения ее в другие виды энергии.

3. Воспроизводящие реакторы или реакторы-преобразователи. В таких реакторах помимо получения атомной энергии, производится плутоний 239, который в отношении деления нейтронами обладает такими же свойствами, как и уран 235, и потому может служить в качестве ядерного горючего. Воспроизводящие реакторы рассчитываются так, чтобы количество производимого плутония покрывало частично расход урана 235.

4. Размножающие реакторы, предназначенные для производства искусственного ядерного горючего (плутония 239 или урана 233).

Если в качестве горючего для реактора взять уран, в достаточной степени обогащенный изотопом 235, то в процессе работы реактора количество образующегося плутония может превзойти количество расходуемого урана 235. Таким образом, общее количество делящегося (расщепляющегося) материала в таком реакторе будет увеличиваться. Подобным образом и работают размножающие реакторы. Потери и бесполезное поглощение нейтронов в этих реакторах сведены к минимуму.

В зависимости от скорости нейтронов, используемых для цепной реакции, различают реакторы на быстрых нейтронах, реакторы на медленных (тепловых) нейтронах и, наконец, реакторы на промежуточных или средних нейтронах.

В качестве ядерного горючего во всех реакторах применяется уран, чаще всего обогащенный легким изотопом — ураном 235.

В качестве конструкционных материалов при сооружении реакторов применяются в основном алюминий, цирконий, их сплавы и нержавеющие стали.

3. Советские ядерные реакторы

В задачу этой книжки не входит подробное рассмотрение техники получения атомной энергии. Однако в целях лучшего уяснения тех физических принципов, на основе которых работают ядерные реакторы и которые изложены выше, расскажем кратко о некоторых советских реакторах^[9].

Теоретическое и экспериментальное исследование цепной реакции в нашей стране было начато еще до Великой Отечественной войны. Были выяснены характерные особенности этого процесса, разработана теория деления ядер урана (Я. И. Френкель), открыто и изучено самопроизвольное деление этих ядер (Г. Н. Флёров и К. А. Петржак). Тогда же была разработана теория развития процесса во времени, найдены величины, от которых зависит коэффициент размножения системы с ураном и т. п. Работа продолжаласьи в военное время.

Весьма разнообразные и многочисленные исследования были проведены перед постройкой первого советского ядерного реактора, явившегося также и первым реактором в Европе. Это был уран-графитовый реактор, остов которого был выложен из графитовых кирпичей размером 10×10×60 см³. Активная зона его имела форму шара радиусом около 3 м. Отражателем нейтронов служил слой графита толщиной около 80 см, выложенный из тех же графитовых кирпичей. Кладка велась последовательно слоями в один кирпич.

В специальные вертикальные отверстия помещались стержни из металлического кадмия, предназначенные для управления реактором. Блоки из природного урана диаметром 3–4 см вкладывались также в вертикальные отверстия, высверленные в графитовых кирпичах активной зоны. После выкладки 54 слоя и извлечения управляющих стержней в реакторе началась цепная реакция, подтвердившая расчеты советских ученых.

Всего в реактор было загружено около 45 т природного урана и несколько сот тонн графита. В реакторе не был предусмотрен специальный теплоноситель, но за счет большой теплоемкости самой системы кратковременно удавалось поднимать мощность реактора до нескольких тысяч киловатт.

Пуск первого ядерного реактора имел фундаментальное значение для советской науки. Была доказана возможность осуществления цепной реакции с природным ураном и графитовым замедлителем. Опытные данные, полученные при работе с этим реактором, позволили уточнить теоретические расчеты и перейти к постройке других более совершенных реакторов.

Одним из таких реакторов явился реактор РФТ, специально предназначенный для экспериментальных физических и технических исследований. Введенный в эксплуатацию в апреле 1952 г., он безотказно работает и в настоящее время. Это — гетерогенный реактор на обогащенном металлическом уране с 15-процентным содержанием легкого изотопа 235; тепловая мощность его 10 тыс. квт.

Урановые блоки или стержни, называемые обычно тепловыделяющими элементами, выполнены в виде труб с внутренней и внешней оболочками из алюминиевого сплава (рис. 44, а). Тепловыделяющие элементы в свою очередь вставлены в широкие алюминиевые трубы. В собранном виде такая система (рис. 44, б) представляет собой рабочий канал ядерного реактора. Замедлителем служит графит и вода, которая циркулирует в рабочих каналах.

^{Рис. 44. Тепловыделяющий элемент (а) и рабочий канал (б) ядерного реактора РФТ}

В процессе работы реактора выделяется энергия. Поэтому рабочие каналы нагреваются. Охлаждение производится с помощью дистиллированной воды, прогоняемой насосами через рабочие каналы и каналы охлаждения отражателя. Нагретая вода охлаждается в теплообменниках речной водой. В рабочий канал дистиллированная вода входит сверху, течет по кольцевому зазору между трубой канала и внешней поверхностью тепловыделяющего элемента и поднимается вверх по центральному каналу. Такое обтекание водой тепловыделяющего элемента обеспечивает хороший отвод тепла.

Для защиты обслуживающего персонала от вредного действия нейтронного и радиоактивного излучений реактор окружен со всех сторон биологической защитой. Она состоит из железного корпуса толщиной 2,5 см, окруженного бетонной стеной толщиной 3,2 м. Для защиты верхней части реактора имеется дополнительный слой графита толщиной 1,5 м и слой свинца 0,4 м. Кроме того, сверху реактор закрыт чугунной плитой толщиной 20 см.

Управление реактором производится целой системой поглощающих стержней, приводимых в движение ручным и автоматическим способом. Сигналы для автоматического передвижения стержней поступают от ионизационных камер. Для экстренного выключения реактора служат два аварийных кадмиевых стержня, расположенных в боковом отражателе. Стержни опускаются в крайнее нижнее положение за 0,4 секунды, надежно защищая реактор в случае каких-нибудь неисправностей в системе охлаждения и при выключении электрического тока.

Ядерный реактор РФТ сыграл важную роль в развитии советского реакторостроения.

Большой опыт по проектированию, постройке и эксплуатации ядерных реакторов, а также обширные исследования, выполненные на реакторе РФТ, послужили основой для создания ядерного реактора первой в мире атомной электростанции СССР. Это — первый энергетический реактор. По принципу своего действия он принадлежит к типу гетерогенных реакторов, работающих на тепловых нейтронах с замедлителем из графита. Тепловая мощность реактора, вертикальный разрез которого приведен на рис. 45, составляет 30 тыс. квт.

^{Рис. 45. Реактор первой атомной электростанции:}

^{1 — кладка реактора; 2 — нижняя плита; 3 — верхняя плита; 4 — рабочий канал; 5 — канал аварийной защиты; 6 — канал автоматического регулирования; 7 — канал ионизационной камеры; 8 — боковая защита (вода); 9 и 10 — холодильники; 11 — распределительный коллектор; 12 — сборный коллектор; 13 — верхняя защита (чугун); 14 — охлаждаемая стойка отражателя}

Конструктивную основу (остов) реактора составляет цилиндрическая графитовая кладка, центральная часть которой диаметром 1,5 м и высотой 1,7 м является активной зоной. Эта зона показана на рис. 45. Остальная часть графитовой кладки, окружающая активную зону со всех сторон, является отражателем нейтронов. Кладка заключена в стальной кожух, приваренный к нижней стальной плите. Сверху кладка закрыта массивной чугунной плитой. Кожух вместе с нижней и верхней плитами образует герметически закрытый объем, который во избежание выгорания графита заполняется при работе реактора инертным газом (гелием или азотом).

Биологическая защита обеспечивается: сбоку — слоем воды в 1 м и бетонной стенкой толщиной 3 м, сверху — совместно верхней частью графитовой кладки, чугунной плитой и защитным чугунным перекрытием. Вся конструкция размещается в шахте, так что его верхнее чугунное перекрытие находится на уровне пола. Фотография реактора сверху приведена на рис. 46. Видна верхняя защитная плита и сервомоторы стержней аварийной защиты и подводящие к ним кабели.

^{Рис. 46. Вид реактора первой атомной электростанции сверху}

В графитовой кладке имеется 157 вертикальных отверстий, из которых 128 заняты урановыми стержнями (рабочими каналами), а остальные 29 предназначены для управляющих стержней и вспомогательных целей. Тепловыделяющие элементы имеют трубчатую конструкцию и сходны с аналогичными элементами реактора РФТ. Горючим служит обогащенный уран, содержащий 5% изотопа 235. Общее количество загружаемого урана составляет 550 кг, в котором содержится 27,5 кг изотопа 235. Каждые сутки в реакторе «сгорает» всего около 30 г урана 235.

Количество урана достигает критической массы с введением 60 уранового стержня. Это значит, что для начала работы реактора достаточно было бы 60 стержней, а их имеется 128. Добавочные 68 стержней необходимы по двум причинам. Во-первых, уран 235 со временем «выгорает», и поэтому излишек его в начале требуется для обеспечения последующей длительной работы реактора. Тепловая мощность в 30 тыс. квт обеспечивается в течение 100 дней приблизительно 120 стержнями. Во-вторых, добавочные стержни необходимы потому, что по мере работы реактора в тепловыделяющих элементах накапливаются продукты деления урана 235 («осколки»), многие из которых чрезвычайно сильно поглощают нейтроны. Эти «осколки» являются как бы «золой» или «шлаком» от сжигания ядерного горючего, которая «зашлаковывает» реактор, уменьшая количество нейтронов. Особенно вредными являются «осколки» — ядра атомов ксенона и самария, которые жадно поглощают нейтроны. В обычной топке шлак мешает сжигать уголь, и его время от времени выгребают. В ядерном реакторе удалять шлаки (продукты деления) во время работы реактора невозможно. Приходится поэтому увеличивать количество ядерного горючего и, следовательно, число возникающих в нем нейтронов с тем, чтобы компенсировать потери нейтронов в шлаках.

Теплоносителем, отводящим тепло из реактора в теплообменники (парогенераторы), служит дистиллированная вода, омывающая тепловыделяющие элементы при давлении 100 атмосфер. При столь высоком давлении вода может кипеть при температуре 309° Ц. Закипание воды в каком-либо канале привело бы к резкому уменьшению отдачи тепла, а следовательно, к перегреву и возможному разрушению тепловыделяющего элемента. Поэтому воду нагревают в реакторе только до 260–270°, не давая ей кипеть. Вода подводится к каждому рабочему каналу от коллектора из соседнего с реактором помещения. Отвод воды из рабочих каналов осуществляется к коллектору, расположенному над реактором.

Необходимость применения в качестве теплоносителя дистиллированной воды обусловлена тем, что, пройдя через реактор, вода становится радиоактивной. Сама-то вода быстро теряет свою активность, излучая гамма-лучи, а вот примеси, содержащиеся в ней, остаются радиоактивными длительное время. Чтобы уменьшить эту радиоактивность, обычную речную воду подвергают двойной перегонке (дистилляции), вследствие чего содержание примесей уменьшается в 100–200 раз. Кроме того, дистиллированная вода не откладывает в реакторе накипь.

В парогенераторах вода, поступающая из реактора, охлаждается до 190° и возвращается обратно. Таким образом, вода циркулирует по замкнутому контуру; все элементы этого контура окружены специальной защитой от радиоактивного излучения воды.

Управление работой реактора производится с помощью поглощающих стержней из карбида бора. Всего имеется 24 управляющих (регулирующих) стержня, которые по их назначению делятся на три группы. Первую группу из 18 стержней составляют компенсационные стержни. Количество урана, загружаемого в реактор, превышает, как мы знаем, критическую массу. Чтобы излишек урана не принимал участия в цепной реакции, и вводятся компенсационные стержни, которые поглощают избыточные нейтроны и поддерживают коэффициент размножения нейтронов, равным единице. По мере выгорания урана и накапливания «шлаков» эти стержни постепенно выдвигаются из активной зоны реактора.

Вторую группу составляют 4 стержня, служащие для автоматического поддержания мощности реактора на заданном уровне (стержни автоматического регулирования). Два стержня, предназначенные для экстренной остановки реактора (стержни аварийной защиты), составляют третью группу управляющих стержней.

Контроль мощности реактора осуществляется с помощью 12 ионизационных камер, расположенных вблизи от активной зоны и связанных с механизмами, передвигающими управляющие стержни.

По положению компенсирующих стержней можно судить о том, сколько выгорело горючего и как много накопилось в реакторе «шлаков». После того как все компенсирующие стержни будут извлечены полностью, цепная реакция не может дальше поддерживаться. Значит, чтобы реактор мог работать непрерывно, нужно по истечении некоторого времени заменять выгоревшие стержни новыми. За то, что выгоревшие стержни обладают большой радиоактивностью, обязанной «осколкам» деления, их называют «горячими», хотя температура их не превышает обычно 50°. Активность одного «горячего» стержня составляет примерно 10 тыс. кюри. Извлечение «горячих» стержней производится с помощью подъемного крана, управляемого дистанционно из специального помещения, защищенного от радиоактивного излучения. Вынутый из реактора стержень опускается через специальный люк в полу в бассейн с водой, где он в течение года «остывает». После годичной выдержки эти стержни отправляются на завод, где химическим путем уран отделяется от «шлаков» и снова идет в реактор. На рис. 47 приведена фотография уголка зала реактора первой атомной электростанции СССР. На переднем плане видны люки, в которые опущены отработавшие стержни. На заднем плане видны висящие запасные стержни. В них находится полугодовой запас урана, содержащий около 5,5 кг изотопа 235. Для сравнения укажем, что полугодовой запас каменного угля для работы силовой установки такой же мощности, как и описываемый реактор, составил бы более 20 тыс. т.

^{Рис. 47. Уголок зала реактора первой атомной электростанции. Видны люки, в которые опущены «горячие» стержни и висящие у задней стены запасные стержни}

Расскажем еще об одном реакторе, предназначенном для физических исследований как на самом реакторе, так и на выведенных из него пучках нейтронов. Это — опытный физический реактор с тяжелой водой Академии наук СССР, введенный в строй в апреле 1949 г. (рис. 48).

^{Рис. 48. Опытный физический реактор с тяжелой водой Академии наук СССР}

Реакторы с тяжелой водой имеют ряд особенностей по сравнению с графитовыми реакторами, а именно: сравнительно малый размер системы и высокое значение коэффициента размножения, сравнительно малое число столкновений, необходимых для замедления нейтронов, и другие. Жидкий замедлитель позволяет осуществить быстрое изменение расположения урановых блоков в реакторе, а также проводить опыты со стержнями различной толщины.

Реактор состоит из цилиндрического алюминиевого резервуара диаметром 1,75 м и высотой около 2 м, залитого тяжелой водой. Дно резервуара, слегка коническое, лежит на графитовой кладке толщиной 100 см. Расположенный сбоку, графитовый отражатель также имеет толщину 100 см. Графитовая кладка окружена внешним стальным корпусом, в котором обычно поддерживается вакуум. В резервуар опущены урановые стержни длиной 160 см. Диаметр урановых стержней в разных исследованиях менялся от 2,2 до 2,8 см. Изменялось также и число урановых стержней (от 86 до 292). Отвод тепла в реакторе осуществляется за счет циркуляции тяжелой воды. Таким образом, тяжелая вода в этом реакторе служит и замедлителем и теплоносителем. Скорость циркуляции воды невелика, и поэтому максимальная длительно снимаемая мощность ядерного реактора равна 600 квт, обычная мощность находится в пределах 350–500 квт. Над тяжелой водой непрерывно протекает гелий, который уносит с собой выделяющуюся за счет разложения тяжелой воды гремучую смесь.

Боковая защита от излучения реактора бетонная толщиной 2,5 м. В ней имеется ряд каналов для облучения и вывода пучков нейтронов. Сверху реактора свинцовая защитная крышка.

Управление реактором производится ручным и автоматическим передвижением четырех кадмиевых стержней. Имеются также и два аварийных стержня. В случае аварии тяжелая вода сливается в запасной бак, и цепная реакция прекращается.

На Международной конференции по мирному использованию атомной энергии в Женеве советские ученые рассказали об экспериментальном ядерном реакторе на обыкновенной воде. Обыкновенная вода используется здесь в качестве замедлителя, теплоносителя и отражателя. Горючим служит обогащенный уран, содержащий 10% изотопа 235. Такой реактор сравнительно невелик по размерам и прост по конструкции.

К сожалению, и этот простой и компактный реактор требует мощной биологической защиты. Обязательное наличие у ядерного реактора массивной защиты от излучений является одним из серьезных недостатков ядерной энергии, затрудняющим ее применение в промышленности, на транспорте и в быту.

Несмотря на то, что реакторостроение существует короткое время, уже создано много типов реакторов. Советские ученые успешно работают над их совершенствованием и над созданием новых типов реакторов. Ряд новых идей и проектов были выдвинуты в 1955 г. нашими учеными в докладах на Международной конференции в Женеве. По плану шестой пятилетки намечено построить до 10 разных типов реакторов. Будут построены реакторы на медленных, быстрых и промежуточных нейтронах с замедлителями из графита, бериллия, тяжелой и обыкновенной воды, с газовым, водяным и жидкометаллическим охлаждением. Будет построен мощный ядерный реактор с использованием тория.

Работу по ядерным реакторам советские ученые ведут совместно с учеными и инженерами стран социалистического лагеря, которые с участием Советского Союза создают у себя реакторы для научных целей. Реакторы некоторых типов поставляются Советским Союзом ряду стран в порядке научно-технической помощи.

(обратно)

VIII. ПРИМЕНЕНИЕ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ

1. Атомные электрические станции

Одним из первых применений ядерной энергии явилось ядерное оружие. Исключительно важное значение имеет применение ядерной энергии как источника тепловой, механической и электрической энергии. О применении ядерной энергии для энергетических целей рассказывается ниже.

Одним из генеральных путей развития ядерной энергии является, несомненно, производство электрической энергии, самой удобной для передачи и использования в народном хозяйстве. Именно поэтому советские люди с особым чувством гордости воспринимают тот факт, что в нашей стране построена и успешно работает первая в мире промышленная атомная электростанция (рис. 49). Технологическое оборудование станции, созданное советскими учеными, инженерами и рабочими, выдержало блестящий экзамен. За три года работы станции не вышел из строя ни один тепловыделяющий урановый элемент, как и не было ни одного случая нарушения биологической безопасности. Это величайшая победа советской науки и техники. День пуска этой станции — 27 июня 1954 г. — войдет в историю как начало технико-экономической революции, распахнувшей перед человечеством двери в новую, атомную эпоху. Не взрывы атомных бомб в Хиросиме и Нагасаки, а именно первая атомная электростанция СССР и применение ядерной энергии в мирных целях положили начало этой революции.

^{Рис. 49. Главное здание первой атомной электростанции}

Первая атомная электростанция построена с целью накопления научного и инженерного опыта, необходимого для проектирования и строительства крупных атомных станций в шестой пятилетке. Проектировщики и строители новых атомных энергетических гигантов черпают здесь богатейший опыт.

По принципу своего устройства первая атомная электростанция является паросиловой установкой, в которой электроэнергия вырабатывается турбогенератором, то есть генератором, соединенным на общем валу с паровой турбиной, приводящей его в движение. Принципиальная схема станции в упрощенном виде приведена на рис. 50. Основными элементами станции являются ядерный реактор, парогенератор и турбогенератор.

^{Рис. 50. Принципиальная схема первой атомной электростанции:}

^{1 — реактор; 2 — турбогенератор; 3 — теплообменник (парогенератор); 4 — конденсатор; 5 — питательный насос; 6 — циркуляционные насосы}

Ядерный реактор, конструкция которого рассмотрена выше, является сердцем станции; его тепловая мощность 30 тыс. квт. Это как бы «топка» станции, где ядерная энергия превращается в теплоту. Для вывода тепла из реактора применяется двухконтурная система: дистиллированная вода первичного контура, циркулирующая через реактор, и система теплообменников (парогенераторов), передающая свое тепло обыкновенной воде второго контура, которая, превращаясь в пар, приводит в движение турбогенератор с электрической мощностью 5 тыс. квт.

Применение двухконтурной схемы исключает возможность попадания радиоактивной воды первого контура в турбину. Благодаря этому обслуживание турбины и связанного с ней оборудования ничем не отличается от обычных тепловых электростанций, так как для этого оборудования не требуется устройства биологической защиты. Элементы же первичного контура, поскольку циркулирующая в них вода обладает радиоактивностью, окружены специальной защитой.

На станции имеется 8 парогенераторов, попарно объединенных в защитных камерах. Когда станция работает на полную мощность, то включены три пары, а четвертая пара находится в резерве. Каждый парогенератор, состоящий из подогревателя воды, испарителя воды и пароперегревателя, представляет собой своеобразный «паровой котел». Именно здесь сильно нагретая вода первичного контура отдает свое тепло движущейся ей навстречу воде второго контура и превращает ее в пар. Три пары таких «котлов» производят в час около 40 т пара при температуре 255–260° Ц. Циркуляционные насосы перекачивают охлажденную до 190° воду обратно в реактор. Так заканчивается цикл обращения дистиллированной воды (первичного теплоносителя).

Вторичный теплоноситель — обыкновенный водяной пар при давлении 12,5 атмосферы — поступает в турбогенератор, где его тепловая энергия превращается в электрическую. Отработанный пар, охлаждаясь в конденсаторе, превращается там в воду и перекачивается питательными насосами обратно в парогенератор.

Первая атомная электростанция СССР размещается в трех зданиях. В главном здании находятся ядерный реактор, парогенераторы, насосы и другое оборудование для обслуживания станции и для проведения научных и инженерных исследований. Там же размещается и пульт управления станции. Во втором здании установлены: паровая турбина с электрическим генератором, электрическое распределительное устройство, конденсатор и другое оборудование, относящееся к контуру вторичного теплоносителя (пара). Наконец, в третьем здании размещаются вентиляционные устройства, необходимые для выброса в трубу радиоактивных газов, выделяющихся при работе ядерного реактора.

Управление ядерным реактором и всеми другими агрегатами станции производится с главного пульта управления (рис. 51), причем осуществляется оно преимущественно автоматически. Автоматы поддерживают заданный уровень мощности реактора, следят за действием основных и вспомогательных устройств станции и обо всем, что происходит на станции, посылают соответствующие сигналы на главный пульт управления.

^{Рис. 51. Главный пульт управления первой атомной электростанции}

Дежурный инженер-оператор может следить по приборам этого пульта за работой всех элементов станции. Перед глазами оператора находятся измерители мощности и указатели положения регулирующих стержней, приборы, отмечающие температуру, давление и количество воды, протекающей в каждом из 128 рабочих каналов реактора. Здесь же оператор получает сведения о давлении пара, идущего в турбину, о работе всех насосов и парогенераторов.

На центральном щите пульта имеется наглядная схема станции, на которой приборами и условными значками представлено все сложное хозяйство станции. Световые сигналы, имеющиеся на схеме, «докладывают» оператору о неполадках. Желтый сигнал — предупреждение, красный показывает причину и место аварии.

В соответствии с этими сигналами и показаниями приборов оператор, находясь у пульта, может устранить могущие возникнуть неполадки. Но даже в том случае, если бы оператор не принял необходимых мер, авария не произойдет, так как аварийные стержни сами опустятся в реактор и остановят цепной процесс.

На особом дозиметрическом пульте находятся приборы, сигнализирующие о наличии опасных радиоактивных излучений в различных помещениях электростанции. Оператор всегда будет предупрежден световым и звуковым сигналом, в каком помещении излучение превышает норму. Кроме того, в этом помещении автоматически вспыхивает красная лампа и дается звуковой сигнал. На здоровье обслуживающего персонала работа на станции не оказывает вредного влияния.

Радиоактивная пыль и газы, отсасываемые из помещений электростанции, поступают в высокую трубу и выбрасываются в атмосферу. Высота трубы гарантирует полную безопасность для окружающего населения.

Питание всех агрегатов станции производится за счет вырабатываемой ею электроэнергии. Однако в случае аварии в электрической сети питание всех механизмов и приборов автоматически переключается на аккумуляторную батарею.

Электрическая энергия атомной электростанции поступает через трансформаторную подстанцию в общее высоковольтное кольцо, от которого питаются фабрики, заводы, колхозы, совхозы, культурно-просветительные учреждения и жилые дома.

Стоимость одного киловатт-часа электрической энергии, вырабатываемой на первой атомной электростанции, значительно превышает среднюю себестоимость одного киловатт-часа на мощных тепловых электростанциях Советского Союза. Однако она сравнима со стоимостью электроэнергии, получаемой на таких же по мощности 1000–5000 квт — тепловых электростанциях.

Анализ стоимости одного киловатт-часа энергии, вырабатываемой на первой атомной электростанции, показывает, что высокая его себестоимость обусловлена в первую, очередь малой ее мощностью.

В 1955 г. на Международной научно-технической конференции по мирному использованию атомной энергии в Женеве профессор Д. И. Блохинцев сообщил, что экономические показатели усовершенствованной атомной электростанции мощностью в 100 тыс. квт были сравнены с показателями современной электростанции такой же мощности, работающей на угле среднего качества, сжигаемом в пылевидном состоянии. Оказалось, что стоимость топлива на один киловатт-час на атомной станции больше, но уже близка к стоимости его на обычной станции, если здесь используется топливо низкого качества.

Это связано в большой степени с тем, что расход ядерного горючего на атомной электростанции ничтожно мал. В то время как для угольной станции мощностью в 500 тыс. квт требуется в год не менее 100 тыс. вагонов угля, для атомной электростанции такой же мощности достаточно в год лишь нескольких вагонов урана.

Таким образом, одним из путей повышения экономичности атомных электростанций является увеличение их мощности.

Атомная электростанция не нуждается в топливном складе с его механизмами, в железнодорожных вагонах для перевозки топлива, общий вес которого на угольной станции составляет тысячи тонн. Существенным преимуществом атомной электростанции по сравнению с обычными является отсутствие золы, дыма и т. д.

Все это позволяет рассчитывать на то, что численность персонала, обслуживающего атомный реактор и парогенераторы, будет в 2–3 раза меньше числа работающих в котельной и на вспомогательных сооружениях угольной электростанции той же мощности.

Сравнение возможных характеристик атомной и угольной электростанций мощностью по 100 тыс. квт указывает на перспективность атомных станций, аналогичных первой атомной электростанции СССР.

Атомная электростанция уже сейчас более экономична по сравнению с угольной станцией, находящейся далеко от района добычи угля или работающей на низкосортном топливе.

Значение первой в мире атомной электростанции СССР огромно. Впервые в промышленных масштабах практически осуществлено превращение ядерной энергии в электрическую и тем самым доказана возможность мирного использования огромных запасов ядерного горючего для блага человечества.

Положительный опыт эксплуатации первой атомной электростанции и успешные физические и инженерные исследования в области атомной энергетики позволили нам приступить к проектированию и строительству мощных атомных электростанций разных типов.

О грандиозной программе использования ядерной энергии для энергетических целей, осуществляемой в Советском Союзе, рассказал акад. И. В. Курчатов в статье «Некоторые вопросы развития атомной энергетики в СССР»^[10].

Советский Союз располагает разнообразными природными энергетическими ресурсами на просторах Сибири. Богатые водные ресурсы позволяют получать в Сибири дешевую гидроэнергию, а на базе угольных карьеров — дешевую электрическую и тепловую энергию.

На ближайшие десятилетия имеющихся у нас ресурсов будет достаточно в Европейской части СССР, но в несколько более отдаленном будущем ядерная энергия может оказаться тем практически неисчерпаемым и относительно дешевым источником, который обеспечит изобилие энергии в этой части страны.

Мы ставим задачу создать атомную энергетику, которая, по крайне мере для условий Европейской части Союза, будет экономически более выгодной, чем угольная энергетика.

В связи с этим намечается строить крупные атомные электростанции мощностью на первое время около 400–600 тыс. квт каждая; только на крупных атомных электростанциях можно достигнуть экономически выгодных показателей. В 1956–1960 гг. намечено построить 5 больших атомных электростанций. По этой программе станции будут входить в строй с конца 1958 г.; часть их начнет работать в 1959 г., а некоторые — в 1960 г.

Атомные электростанции будут строиться в первую очередь в районах с дальнепривозным топливом. Поэтому две атомные электростанции общей мощностью в 1 млн. квт намечено построить на Урале. Атомная электростанция мощностью в 400 тыс. квт будет построена также вблизи от Москвы. Общая мощность атомных электростанций, которые должны быть пущены в шестой пятилетке, составит 2–2,5 млн. квт и будет сравнима с мощностью такой крупнейшей в мире электростанции, как, например Куйбышевская. Мощность вводимых в строй атомных электростанций превосходит, судя по опубликованным данным, аналогичные планируемые мощности атомных электростанций США и Англии.

Успехи, достигнутые в последнее время в развитии атомной энергетики, дают основание предполагать, что в недалеком будущем могут быть созданы передвижные атомные электростанции. Такие энергетические установки с успехом могут быть использованы в качестве источников электроэнергии в районах, отдаленных от баз снабжения горючим или подвергшихся сильному разрушению. Особенно эффективно передвижные атомные электростанции, смонтированные на автомашинах, могут быть использованы в войсках для обеспечения электроэнергией ремонтно-восстановительных частей и для производства других разнообразных работ.

2. Атомные электрические батареи

На атомных электростанциях тепло, выделяющееся в реакторе, сначала преобразуется с помощью пара в механическую энергию, а уже затем в электрическую. Такой метод получения электрической энергии принципиально ничем не отличается от аналогичного метода, используемого в паросиловых установках обычных тепловых электростанций.

Наука давно уже установила, что коэффициент полезного действия любой тепловой установки тем больше, чем больше разность температур между нагревателем (парогенератором) и холодильником (конденсатором). Цепная реакция, осуществляемая в реакторе, позволяет в принципе получать очень высокие температуры, при которых коэффициент полезного действия установки приблизился бы к 100%. Однако отсутствие жаропрочных материалов, способных выдерживать высокие температуры, ограничивает реализуемые в реакторах температуры несколькими сотнями градусов, в связи с чем коэффициент полезного действия мощных атомных электростанций оказывается такого же порядка, как и у обычных тепловых электростанций (25–30%).

Возникает вопрос: нельзя ли избежать всех этих сложных и многократных превращений атомной энергии? Возможны ли другие пути превращения атомной энергии в электрическую? Оказывается, возможны, и притом несколько.

Один из намечающихся путей заключается в непосредственном превращении тепла, выделяющегося в цепной реакции или при радиоактивном распаде, в электрическую энергию с помощью так называемых термоэлектрических батарей или генераторов.

Физические основания этого следующие. Если взять две разнородные проволочки (например, железную и константановую) и спаять их концы, образовав замкнутую цепь, то при нагревании одного из спаев в цепи течет электрический ток. Такая пара из двух спаянных разнородных проводников получила название термопары, или термоэлемента. Часть тепловой энергии, нагревающей горячий спай, превращается в термоэлементе в электрическую энергию. Коэффициент полезного действия термоэлемента из металлических проводников очень мал и не превышает 0,5%. Но, как показали советские физики, руководимые акад. А. Ф. Иоффе, термоэлемент, состоящий из металлического проводника и полупроводника или из двух разнородных полупроводников, имеет более высокий коэффициент полезного действия, достигающий 7–10%. А это не так уж мало, если вспомнить, например, что коэффициент полезного действия паровоза составляет 4–6%.

Система из множества термоэлементов, включенных последовательно (иногда и параллельно), называется термоэлектрической батареей, или термоэлектрическим генератором. Первое практическое применение подобных генераторов осуществлено в Советском Союзе в целях радиофикации отдаленных районов, не имеющих электрической энергии. На рис. 52 приведена фотография керосинового термоэлектрогенератора (ТГК-3), разработанного в Институте полупроводников Академии наук СССР и предназначенного для питания электрической энергией радиоприемника средней мощности. Горячие газы лампы нагревают внутренние спаи термоэлементов, наружные спаи охлаждаются окружающим воздухом. На фотографии виден ребристый радиатор, присоединенный к наружным спаям для лучшего их охлаждения.

^{Рис. 52. Керосиновый термоэлектрический генератор}

После ознакомления с керосиновым генератором нетрудно будет понять идею конструкции атомной термоэлектрической батареи (термоэлектрогенератора).

Ядерный реактор в виде цилиндра из графитовой кладки с урановыми стержнями окружается цилиндрической рубашкой, внутрь которой вводятся нагреваемые спаи последовательно соединенных термоэлементов; холодные спаи размещаются снаружи и охлаждаются окружающим воздухом. Тепло, выделяющееся в реакторе, нагревает внутренние спаи и поддерживает тем самым разность температур между ними и наружными спаями. Вследствие этого в цепи термоэлементов будет непрерывно протекать электрический ток. К сожалению, такие батареи будут маломощными.

Возможен второй путь прямого превращения атомной энергии в электрическую с помощью батарей другого типа, в которых используются радиоактивные излучения. Атомные батареи этого типа собираются из электрических элементов, прототипом которых является зарядное устройство, описанное английским физиком Г. Мозли еще в 1913 г. Устройство такого элемента можно представить себе следующим образом (рис. 53).

^{Рис. 53. Вакуумный атомный электрический элемент:}

^{1 — металлический корпус (коллектор); 2 — внутренний электрод; 3 — втулка-изолятор; 4 — радиоактивное вещество}

Внутрь металлического корпуса 1 вводится электрод 2, изолированный кварцем или янтарем 3 и покрытый тонким слоем какого-либо радиоактивного изотопа 4. Воздух из такого устройства выкачивается. Если изотоп испускает, например, бета-частицы, то внутренний электрод 2, теряя отрицательный заряд, будет заряжаться положительно, а внешний электрод (корпус) — отрицательно. Внешний электрод является здесь собирателем (коллектором) бета-частиц (электронов). По мере накопления зарядов на электродах такого элемента напряжение будет увеличиваться и достигнет большой величины, измеряемой иногда многими десятками тысяч вольт. Сила тока такого элемента очень мала и имеет величину порядка миллиардных долей ампера. Но так как сила тока пропорциональна количеству изотопа в элементе, то, взяв большое количество изотопа и соединив несколько таких элементов параллельно в батарею, можно получить от нее несколько бóльший ток.

Батареи такого типа используются как источники анодного напряжения либо в электронно-лучевых трубках, либо в устройствах для ускорения отдельных заряженных частиц.

Зарядка внешнего электрода радиоактивным излучением может осуществляться через тонкий слой твердого диэлектрика (рис. 54). Такой элемент не нуждается в вакууме. Для защиты от радиоактивных излучений целесообразно экранировать элемент слоем свинца.

^{Рис. 54. Атомный электрический элемент с твердым диэлектриком:}

^{1 — металлический коллектор; 2 — внутренний электрод; 3 — втулка-изолятор; 4 — радиоактивное вещество; 5 — диэлектрик (полистирол); 6 — свинцовый экран; 7 — оболочка}

Третий и наиболее перспективный путь прямого превращения атомной энергии в электрическую связан с применением атомных электрических элементов с умножением тока на полупроводниковом контакте. Упрощенная схема такого элемента дана на рис. 55.

^{Рис. 55. Атомный электрический элемент с умножением тока:}

^{1 — металлическая подвижная опора; 2 — радиоактивный стронций (источник электронов); 3 — полупроводник (кремний); 4 — металл индий, 5 — клеммы}

Источником бета-частиц (электронов) здесь служит искусственно радиоактивный стронций 90. Излучаемые им электроны, пронизывая пластинку полупроводника (например, кремния), размножаются, выбивая новые электроны из атомов кремния. На один первичный электрон образуются сотни тысяч новых (вторичных) электронов. Контакт кремний–индий обладает замечательным свойством: он пропускает электроны только в одном направлении, в результате чего облучаемый кремний приобретает заряд одного знака, а индий — противоположного. Если теперь к кремнию и индию присоединить проводники, то в цепи будет течь электрический ток. Атомный элемент на кремнии дает напряжение порядка 0,25 в и ток короткого замыкания 10^-5 а.

Появление атомных батарей является доказательством возможности прямого превращения ядерной энергии в электрическую и представляет несомненный научный и практический интерес.

Атомные батареи, использующие радиоактивные излучения, могут действовать без смены радиоактивного вещества длительное время, определяемое периодом полураспада используемого радиоактивного изотопа. Так, например, продолжительность непрерывной работы обычной сухой батареи измеряется десятками и в лучшем случае сотнями часов, тогда как срок службы стронциевой батареи исчисляется многими годами. Мощность стронциевой атомной батареи уменьшается в 2 раза лишь примерно через 20 лет.

Кроме того, атомные батареи в отличие от обычных дают постоянное напряжение («не садятся») независимо от продолжительности их работы. Весьма важным свойством атомных батарей является их портативность. Один атомный элемент со стронцием 90 имеет размеры не более наперстка.

Атомные электрические батареи могут найти применение в первую очередь в переносных радиостанциях, полевых телефонных аппаратах, полевой дозиметрической аппаратуре и т. д., т. е. там, где от источников электрической энергии требуются малые размеры и вес. Если учесть большую насыщенность современных войск подобной аппаратурой, то нетрудно будет понять, насколько упростится ее обслуживание и снабжение источниками электрической энергии благодаря применению атомных батарей.

К сожалению, атомных батарей, рассчитанных на отдачу значительной мощности, до сих пор еще нет. Несомненно, однако, что дальнейшее усовершенствование конструкции атомных батарей и изобретение новых их типов будет способствовать созданию в ближайшем будущем атомных батарей большой мощности.

Одним из серьезных недостатков атомных батарей является обязательное наличие свинцовой защиты от радиоактивных излучений.

3. Атомные двигатели

Производство электрической энергии атомными электростанциями является одним из генеральных путей использования ядерной энергии. Наряду с этим имеются и другие пути. В директивах XX съезда указано: «Развернуть работы по созданию силовых установок для транспортных целей. Построить ледокол с атомным двигателем». Применение атомных двигателей на всевозможных транспортных установках представляет собой второй важный путь использования ядерной энергии. Проблеме атомных двигателей посвящены целые книги^[11]. Поэтому рассмотрим этот вопрос кратко.

Атомный двигатель — это машина, преобразующая энергию ядерного горючего в механическую энергию вращения. Основой атомного двигателя любой возможной конструкции является ядерный реактор того или другого типа.

Основным преимуществом атомного двигателя по сравнению с двигателями, работающими на обычном химическом топливе, является чрезвычайно малый расход ядерного горючего. Так, например, если при пробеге автомашины «Победа» на 100 тыс. км, ее двигатель расходует около 10–11 т бензина, то для атомного двигателя такой же мощности и при том же пробеге потребовалось бы израсходовать всего лишь 6 г урана. Атомный двигатель, равный по мощности Днепрогэсу имени В. И. Ленина (600 тыс. квт), расходовал бы в сутки около 600 г урана 235.

Малый расход ядерного горючего приобретает особо важное значение, когда требуется обеспечить непрерывную работу двигателя в течение большого времени без дозаправки горючего. Это значит, например, что воздушный корабль с атомным двигателем, близкий по размерам к современному тяжелому самолету, сможет совершить кругосветный полет без посадки и без дозаправки горючего; такой полет на самолете с обычным двигателем, требующим огромного количества топлива, невозможен.

Применение ядерного горючего может дать принципиальное решение и проблеме межпланетных полетов с помощью ракет. Как известно, для того чтобы ракета могла преодолеть силу земного тяготения и уйти в мировое пространство, она должна иметь скорость не менее 11 200 м/сек. Оказывается, что вес лучшего химического топлива, необходимого для этого, должен составить более 96% полного начального весаракеты. Это обстоятельство налагает на конструкцию ракеты практически невыполнимые требования.

Положительным свойством атомного двигателя является и то, что для его работы не требуется воздух, без которого невозможно сжигание топлива в обычном тепловом двигателе.

Существенным недостатком атомного двигателя является необходимость окружать ядерный реактор тяжелой биологической защитой. На стационарных силовых установках это обстоятельство не имеет большого значения. А вот для транспортных установок проблема защиты от излучения реактора создает большие трудности.

Удельный вес биологической защиты по сравнению с общим весом атомного двигателя тем меньше, чем больше его мощность. Поэтому двигатели большой мощности более целесообразны. А если учесть еще и расход горючего, то получится, как это показывают расчеты, что атомный двигатель большой мощности оказывается легче обычной паросиловой установки, отягощенной огромным запасом необходимого топлива.

С практической точки зрения все ядерные реакторы для двигателей можно разделить на три категории.

Первые — не требующие специальной защиты от излучений, то есть предназначенные для двигателей, работающих автоматически или управляемых на расстоянии.

Вторые — требующие мощной бетонной защиты в сотни тонн, например, предназначенные для больших кораблей, где реакторы должны быть расположены так, чтобы экипаж и пассажиры были защищены от излучений.

Третьи — реакторы, нуждающиеся только в частичной защите, которые можно использовать в локомотивах и на больших самолетах. Очевидно, что реактор, установленный на самолете, может иметь одну хорошо защищенную сторону. Остальные пять сторон, не обращенные к кабине, могут иметь незначительную защиту.

Отсюда видно, что применение атомного двигателя в авиации является перспективным в первую очередь для самолетов-снарядов, ракет дальнего действия и управляемых на расстоянии снарядов, то есть тогда, когда на летающем аппарате нет экипажа и поэтому нет надобности устраивать тяжелую защиту от излучений реактора.

Атомные двигатели могут строиться по типу стационарных паросиловых установок (паровых двигателей) атомных электрических станций. Основными элементами оборудования таких двигателей являются: 1) ядерный реактор, играющий роль «топки», 2) парогенератор — «паровой котел» и 3) паровая турбина. Если вместо паровой турбины применить газовую турбину, приводимую в движение газом, нагреваемым в самом реакторе, то парогенераторы не потребуются. Такого типа атомные двигатели можно использовать на морских надводных и подводных кораблях и на железнодорожных локомотивах — атомовозах.

Расчеты показывают, что для морских кораблей, предназначенных для автономного плавания в морях и океанах, атомный двигатель уже в настоящее время оказывается в принципе целесообразнее любого другого двигателя. В соответствии с этим выводом находится решение XX съезда КПСС, предусмотревшего в своих директивах строительство первого в мире атомного ледокола «Ленин».

Первенец советского атомного судостроения могучий корабль. Макет ледокола дан на рис. 56. Основные данные его следующие: длина корпуса 134 м, максимальная ширина 27,6 м, водоизмещение 16 тыс. т, мощность атомных двигателей 44 тыс. л.с., скорость на чистой воде 18 узлов.

^{Рис. 56. Макет ледокола «Ленин» с атомным двигателем}

На ледоколе использована двухконтурная система теплопередачи, аналогичная той, которая с успехом работает на первой атомной электростанции СССР. Вода, выводящая тепло из реактора, использована в парогенераторах для превращения в пар воды второго контура. Пар поступит в турбогенераторы и приведет их во вращение. Таким образом, ядерная энергия будет превращаться здесь в электрическую, которая в свою очередь приведет в движение мощные моторы, соединенные с гребными валами.

Всем известны прославленные советские ледоколы «Ермак» и «Красин». Более 100 т угля в сутки расходует в плавании такой корабль, каждый месяц он вынужден пополнять запасы топлива, «бункероваться», как говорят моряки, хотя более 30% его помещений используется для хранения топлива. Вот почему эти ледоколы вынуждены плавать преимущественно в прибрежных арктических морях поблизости от портов и топливных баз.

Атомный ледокол не нуждается в частых пополнениях запасов топлива. Вследствие огромной «теплотворной способности» ядерного горючего корабль будет «сжигать» в сутки кусок урана 235 величиной примерно со спичечную коробку. Отсюда станет понятным, почему атомный ледокол сможет непрерывно действовать во льдах, не заходя в порты в течение 12 месяцев и более. В продолжительности плавания — главное достоинство атомного ледокола. Но у него есть и другие преимущества.

Ледокольные качества корабля обычно характеризуются его энерговооруженностью, которая определяется делением мощности его двигателей на водоизмещение. Энерговооруженность ветерана нашего арктического флота «Ермака» составляет 1 л.с. на тонну водоизмещения. У атомного ледокола она намного больше и равна 2,75 л.с. на каждую тонну.

Атомный ледокол «Ленин» наиболее крупный и самый мощный ледокол в мире. Он сможет уверенно проводить караваны судов в сплошных ледяных полях, удаляясь от базы на многие тысячи километров. И кто знает, может быть, именно атомный ледокол сможет осуществить в будущем мечту выдающегося русского моряка и флотоводца, создателя «Ермака» С. О. Макарова: «Пройти к полюсу напролом».

Атомные двигатели могут строиться не только по типу паросиловых установок, возможны и другие конструктивные решения, особенно необходимые для самолетов и ракет. Ядерные реакторы должны иметь в этом случае возможно более компактное устройство. Естественно поэтому предполагать, что широкое применение в атомных двигателях получат гомогенные реакторы, воспроизводящие частично ядерное горючее и имеющие относительно небольшие размеры.

Одним из перспективных гомогенных реакторов для атомных силовых установок является кипящий ядерный реактор («кипящий» котел), разработанный коллективом советских ученых во главе с акад. А. И. Алихановым в нескольких вариантах. В этом реакторе чистое ядерное горючее (уран 235, уран 233 или плутоний 239) применяется в виде взвеси в обыкновенной или тяжелой воде. При достижении критического объема, что осуществляется путем постепенного увеличения количества смеси, в ней идет цепная реакция. Раствор нагревается и кипит.

Расчеты показывают, что для небольшого кипящего гомогенного реактора на 1 тыс. квт электрической мощности потребуется 0,3–0,7 кг урана 235 и 200–300 кг тяжелой воды. При сооружении «кипящего» котла большей мощности относительное количество необходимых материалов сильно уменьшается.

Особенно выгодным становится применение кипящих котлов при значительном воспроизводстве ядерного горючего.

Расчеты советских ученых показывают, что вес атомного двигателя мощностью 15 тыс. л.с. будет значительно меньше веса газотурбинной установки такой же мощности.

4. Применение радиоактивных изотопов

Помимо тех двух путей использования атомной энергии, о которых рассказано выше, имеется еще один путь, связанный с применением радиоактивных веществ и излучений. Некоторые возможности для этого стали известны уже в первые десятилетия после открытия радиоактивности. Но исключительно высокая стоимость радия и продуктов его распада ограничивала их использование в основном лишь пределами научных лабораторий. Только после того как была открыта искусственная радиоактивность и возможность в ядерных реакторах сравнительно дешевого производства разнообразных радиоактивных изотопов, вопрос об их применении в народном хозяйстве мог быть решен.

Искусственные радиоактивные изотопы могут быть получены, как известно, при бомбардировке разных веществ заряженными частицами (альфа-частицами, протонами и т. д.) или нейтронами. Первый способ осуществляется в ускорителях заряженных частиц, а второй, имеющий бóльшее практическое значение, — в ядерных реакторах.

Ядерные реакторы позволяют получать радиоактивные изотопы в огромных количествах. Радиоактивные изотопы нескольких десятков химических элементов средней части периодической системы Менделеева получаются в реакторах сами собой как продукты деления — «шлаки»; поэтому стоимость их весьма невелика. Те же изотопы, которые отсутствуют в шлаках, могут быть произведены в реакторах путем облучения потоком нейтронов соответствующих веществ. Для такого облучения в защитной стенке реактора делаются специальные каналы, куда и помещаются на некоторое время облучаемые вещества. В результате бомбардировки этих веществ мощным потоком нейтронов, летящих из активной зоны реактора, и получаются радиоактивные изотопы. Сейчас имеется возможность получать радиоактивные изотопы любых химических элементов.

К концу шестой пятилетки количество радиоактивных изотопов, вновь рождаемых в ядерных реакторах Советского Союза, будет эквивалентно по крайней мере 10 тыс. т радия. Если вспомнить, что во всем мире к началу работ по атомной энергии имелось всего несколько килограммов радия, то станет ясным, что в настоящее время, в деле использования радиоактивных веществ происходит крупнейшая революция. Производство изотопов в столь больших масштабах обеспечивает дальнейшее расширение их использования в технике, сельском хозяйстве, медицине и в научных исследованиях. В директивах XX съезда КПСС указано: «Всемерно развивать работы по дальнейшему использованию радиоактивных излучений в промышленности, сельском хозяйстве и медицине, в частности, для контроля за качеством материалов, для управления производственными процессами и автоматического регулирования этих процессов, а также для диагностики и лечения различных болезней. Шире использовать применение меченых атомов в научно-исследовательских работах».

Расширение работ по применению радиоактивных излучений и изотопов должно дать в ближайшие годы крупный экономический эффект. Как указал в своем выступлении на XX съезде КПСС акад. И. Курчатов, широко применяя радиоактивные изотопы и излучения, например, в сельскохозяйственном производстве нашей страны, можно в ближайшие годы получить годовую экономию в миллиарды рублей.

Применению радиоактивных изотопов посвящена отдельная книжка^[12] поэтому остановимся на этом кратко.

Одним из важных направлений применения радиоактивных изотопов является метод меченых атомов, упоминаемый в Директивах XX съезда КПСС. Мечеными атомами называют атомы радиоактивных веществ, потому что благодаря их излучению их всегда можно обнаружить и отличить от других атомов того же вещества. Чтобы дать представление об их применении, приведем несколько примеров.

Вводя в организм человека, животного или растения то или иное вещество с примесью небольшого количества меченых его атомов, можно по их излучению, регистрируемому, например, газовым счетчиком, установить пути и скорость распространения этого вещества, места накопления и выяснить ряд вопросов, важных для изучения биологических процессов. При этом методе жизненные процессы изучаются в их естественном течении, без каких-либо операций, нарушающих их нормальный ход.

С помощью меченых атомов была установлена скорость циркуляции крови. Для этого человеку вводили в руку подкожно раствор соли, меченный радиоактивными атомами натрия. Через 17 секунд газовый счетчик, зажатый в другой руке, отмечал появление радиоактивности.

При помощи меченого углерода было установлено, что углекислый газ поглощается листьями растений не только днем под действием света, как это думали раньше, но и ночью, в темноте, и притом не только листьями, но и корнями растений.

Много удивительных открытий было сделано в науке при помощи меченых атомов.

Значительное применение радиоактивные изотопы получают при контроле износа деталей машин, для определения скорости выгорания огнеупорного слоя кирпича в доменных печах и т. д. Для этого в изнашиваемую деталь (например, в поршневые кольца двигателей, шарикоподшипники, резцы, огнеупорный слой домны и т. д.) вводятся радиоактивные вещества. Во время работы такой детали продукты износа, содержащие меченые атомы, уносятся (смазкой, стружками обрабатываемой детали, расплавленным металлом) и могут быть зарегистрированы соответствующим счетчиком. По количеству приносимого радиоактивного вещества можно судить о величине износа. Метод меченых атомов отличается высокой чувствительностью. При его помощи можно заметить снашивание детали на одну стомиллионную долю грамма, причем измерение износа производится в процессе работы машины без остановки и разборки ее, что также имеет большое значение.

При помощи меченых атомов можно осуществить устройства, которые автоматически сигнализируют, когда износ ответственной детали какой-либо сложной машины, например мощной турбины гидроэлектростанции, достигает предельно допустимой величины. Для этого на заданной глубине от поверхности трущейся детали следует поместить небольшое количество радиоактивного изотопа. Как только деталь сносится на эту глубину, начнется стирание этого изотопа. Тогда в продуктах износа, уносимых смазкой, появятся меченые атомы, излучение которых и приведет в действие сигнальную аппаратуру.

Радиоактивные (ядерные) излучения также получили разнообразные применения. Гамма-излучение радиоактивного кобальта 60 широко используется, например, в промышленности для просвечивания всевозможных отливок и обнаружения в них раковин, трещин и других дефектов. Применявшиеся для этой цели рентгеновские лучи позволяли просвечивать лишь отливки небольшой толщины. Благодаря большой проникающей способности гамма-лучей удается просвечивать изделия толщиной до 20 см. Преимущество этого метода заключается еще и в том, что для его осуществления не нужны сложные установки, подобные рентгеновским.

При горячей прокатке необходим строгий контроль за толщиной металла. Для этого под прокатываемым изделием (лентой жести, например) помещается кобальт 60, гамма-излучение которого, проникая сквозь изделие, регистрируется соответствующим прибором. Чем больше толщина изделия, тем сильнее будут поглощаться лучи, тем меньше будет ток в регистрирующем приборе. Если связать этот прибор с механизмом, управляющим валками прокатного стана, то при увеличении толщины изделия автоматически произойдет увеличение давления валков, а при уменьшении толщины, наоборот, давление валков уменьшится. Таким образом, будет происходить автоматический контроль и регулирование толщины проката.

При определении толщины слабо поглощающих материалов (бумага, картон, целлофан и т. д.) используются сильнее поглощающиеся бета-лучи соответствующих изотопов. На применении радиоактивных излучений основан ряд контрольно-измерительных приборов для металлургии, химической, текстильной, бумажной и других отраслей промышленности.

В печати указывалось, что радиоактивные излучения могут использоваться для уничтожения электрических зарядов, накапливающихся на передней кромке крыла самолета вследствие трения о воздух. Кромка покрывается для этого радиоактивным веществом, излучения которого, ионизируя частицы воздуха, позволяют стекать статическим зарядам.

Многочисленными работами, проведенными в научных учреждениях Советского Союза, установлено, что радиоактивные излучения являются также мощным средством воздействия на различные вещества и процессы.

Стерилизующее действие радиоактивных излучений открывает возможность их практического использования для консервирования и пастеризации пищевых продуктов, для стерилизации медицинских и фармацевтических препаратов, для уничтожения вредителей зерна и борьбы с сельскохозяйственными вредителями в полевых условиях.

Разнообразным применениям радиоактивных изотопов и излучений была посвящена специальная Всесоюзная научно-техническая конференция, состоявшаяся в апреле 1957 г. в Москве. Об огромном размахе работы, ведущейся в этом направлении в Советском Союзе, можно судить хотя бы по тому, что на этой конференции было заслушано свыше 400 докладов по наиболее актуальным вопросам науки и техники, связанным с применением изотопов и радиоактивных излучений в народном хозяйстве и науке.

(обратно)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В книге рассказано о том, как в настоящее время получают ядерную энергию. Для этого используют реакцию деления некоторых тяжелых ядер и реакцию соединения самых легких ядер. Первая реакция может быть осуществлена как в виде взрыва, так и в виде медленно протекающего контролируемого цепного процесса. Вторая реакция воспроизводима пока только в форме взрыва. Физики усиленно работают над тем, чтобы обуздать эту реакцию и сделать ее управляемой.

Круг веществ, имеющихся в природе и пригодных для получения ядерной энергии, в настоящее время невелик; это в основном уран, торий и водород. Однако количество энергии, которое может быть из них освобождено, необычайно велико, практически безгранично. Только уран и торий, имеющиеся на Земле, могут дать энергии примерно в 20 раз больше, чем все известные мировые запасы нефти, каменного угля и природных горючих газов, вместе взятых.

Энергия, которую мы научились освобождать в известных нам реакциях составляет лишь небольшую часть той энергии, которая заключена в ядрах вещества. Так, при делении ядер урана освобождается лишь около одной тысячной доли всей энергии этих ядер. Если же найти новые ядерные реакции, в которых доля освобождающейся энергии будет больше, и расширить число веществ, пригодных для получения атомной энергии, то станет понятным, какое изобилие энергии для нужд человека может быть создано на этой основе. Бурное развитие ядерной физики, происходящее в настоящее время, делает эту заманчивую перспективу вполне вероятной.

Наука все глубже проникает в тайны строения вещества, блестяще подтверждая своими новыми открытиями гениальное предвидение В. И. Ленина, высказанное им еще в 1908 г. «Разрушимость атома, — писал Владимир Ильич, — неисчерпаемость его, изменчивость всех форм материи и ее движения всегда были опорой диалектического материализма. Все грани в природе условны, относительны, подвижны, выражают приближение нашего ума к познанию материи… Ум человеческий открыл много диковинного в природе и откроет еще больше, увеличивая тем свою власть над ней…» (Соч., т. 14, стр. 268.)

Однако в использовании возможностей, открываемых атомной энергией, есть разные пути. Один путь — это опасный путь подготовки атомной войны. По этому пути идут правящие круги США, ведущие бешеную гонку атомных вооружений. Факты показывают, что правящие круги США поставили ядерную энергию на службу военным целям, они снабжают ядерным оружием некоторые капиталистические страны и разрабатывают конкретные планы атомной войны. Провокационными разговорами о мнимой «коммунистической опасности» они рассчитывают отвлечь внимание американского народа, и особенно народов Западной Европы, от действительной опасности, которую несут им авантюристические планы атомной войны. Под фальшивой ширмой «защиты свободного мира» они ставят под угрозу само существование западноевропейских стран с их малой территорией, густым населением и крупными промышленными центрами, а также подвергают серьезной опасности и Соединенные Штаты.

Американские империалисты, организуя свои военные базы в Европе и других частях света, снабжая некоторые капиталистические страны атомным оружием, видимо, рассчитывают, что в случае войны в Европе или Азии им удастся, как и прежде, отсидеться за океаном и избежать разрушительных и уничтожающих ударов. Но это слишком наивные расчеты.

Сейчас в мире нет такого уголка, где мог бы укрыться агрессор. Советские Военно-Воздушные Силы способны нанести сокрушительные удары по любому противнику, где бы он ни находился, где бы он ни прятался.

Истекшие после второй мировой войны годы характеризуются стремительным развитием военной техники и особенно ядерного оружия, мощность взрыва которого исчисляется многими миллионами тонн тротила. Быстро развивается ракетная техника, изобретены такие виды современного оружия, как межконтинентальные баллистические снаряды с термоядерным зарядом. Появление этих видов военной техники на вооружении государств сделало уязвимым практически любой пункт земного шара.

Происходящая сейчас гонка вооружений и особенно состязание в производстве атомного, водородного и ракетного оружия угрожающим образом ухудшают международную обстановку. Расширение масштабов и наращивание темпов гонки атомных вооружений, усилившиеся за последнее время приготовления стран НАТО к атомной войне вызывают вполне понятное и законное беспокойство во всем мире. Много ли сейчас найдется людей, которые не осознают, какими неисчислимыми бедствиями грозит человечеству война с применением атомного и водородного оружия?

Нетрудно себе представить, какой губительный характер приняла бы война при современном развитии ядерной и ракетной техники, которая к тому же каждый день приносит что-либо новое. Без преувеличений можно сказать, что взрыв только одной водородной бомбы способен вызвать такие тяжелые последствия на огромных территориях, каких не несли с собой десятки тысяч снарядов и бомб, применявшихся в прошлых мировых войнах. Нескольких водородных бомб вполне достаточно, чтобы превратить в зону пустыни огромные территории. А ведь ни для кого не секрет, что если дело дойдет до применения ядерного оружия, то будет взорвано немало таких водородных бомб.

Хорошо известно также, что сегодня имеются не только атомные и водородные бомбы, но существует колоссальной разрушительной силы ракетное оружие, применение которого в войне способно в течение нескольких часов посеять смерть и опустошения на территории целых государств. Степень развития этого оружия в настоящее время такова, что фактически не имеется места на земном шаре, которое могло бы быть убежищем для агрессора. Незачем говорить о том, какая судьба постигла бы те государства, которые стали бы соучастниками агрессии.

Разрушительная сила современного оружия такова, что удары, нанесенные с целью подавления баз агрессора, неизбежно поразят большие районы вокруг этих баз. Это означало бы катастрофу даже для государств, имеющих бóльшую территорию, чем, например, многие страны НАТО, предоставившие базы США. Что это так, видно хотя бы из того, что, как показали испытания, одна водородная бомба может вызвать разрушения в радиусе до сотен километров. Спрашивается, что же тогда сказать о последствиях применения нескольких таких бомб?

Следует заметить, что с появлением баллистических и иных ракет большой мощности, скорости и точности, военные базы, расположенные вокруг Советского Союза и стран народной демократии и на которые большие надежды возлагают политические и военные деятели капиталистического лагеря, уже потеряли свое былое значение.

Теперь уже нет сомнений в том, что в случае возникновения новой войны с применением ядерного оружия последствия такой войны окажутся исключительно тяжелыми для участвующих в ней государств, особенно для стран с высокой плотностью населения и с большой концентрацией промышленности. Во всех странах мира ширится движение за запрещение ядерного оружия. Например, 18 видных западногерманских ученых-атомников (М. Борн, О. Ган, М. Лауэ, Ф. Штрассман и др.) в своем обращении к общественности Федеративной Республики Германии выступили против вооружения бундесвера ядерным оружием и предупредили о той опасности, которая угрожает человечеству в случае атомной войны. Известно, что представители правительственных кругов Федеративной Республики Германии утверждают, что тактическое ядерное оружие будто бы представляет собой всего лишь усовершенствованную артиллерию и что принятие его на вооружение якобы не связано ни с какой опасностью для ФРГ. В противовес этому западногерманские ученые указывают, что «одна тактическая атомная бомба может разрушить небольшой город», что тактические атомные бомбы или атомные снаряды имеют такую же разрушительную силу, как и первые атомные бомбы, сброшенные на Хиросима и Нагасаки. «Одна же водородная бомба, — заявляют ученые, — может сделать временно не пригодным для жизни район величиной с Рурскую область. При помощи водородных бомб, в результате распространения радиоактивности, можно, вероятно, уже теперь истребить население Федеративной республики».

То же можно сказать о последствиях бомбардировки водородными бомбами и термоядерным ракетным оружием такой сравнительно небольшой и густо населенной территории, как Британские острова. По словам известного английского ученого Дж. Бернала, полдюжины водородных бомб смели бы с лица земли города и промышленные предприятия Англии.

Советский Союз никому не угрожает и ни на кого не собирается нападать. Советский народ стоял и стоит за запрещение атомного и водородного оружия с установлением действенного международного контроля. Советское правительство считает, что государства должны взять на себя перед лицом народов всего мира торжественное обязательство об отказе от применения в военных целях атомного и водородного оружия всех видов, в том числе авиационных бомб, ракет любого радиуса действия с атомным и водородным зарядами, атомной артиллерии и т. п.

Что касается вопроса о полном запрещении ядерного оружия с изъятием его из вооружений государств, прекращением производства и уничтожением запасов этого оружия, то государства должны приложить все усилия к достижению соглашения по этому вопросу. Учитывая особую неотложность вопроса о прекращении испытаний атомного и водородного оружия, целесообразно в настоящее время выделить этот вопрос из общей проблемы атомного и водородного оружия в качестве первоочередного мероприятия и решить его безотлагательно.

Советский Союз идет по пути мира и использования ядерной энергии в мирных целях, для всестороннего развития экономики и культуры народов.

Коммунистическая партия и Советское правительство последовательно борются за то, чтобы навсегда избавить человечество от опасности атомной войны и открыть путь для самого широкого использования ядерной энергии в мирных целях. Хотя Советский Союз в целях защиты мирного труда и жизни своих народов должен был обеспечить себя атомным и термоядерным оружием, советские ученые и инженеры настойчиво работают над тем, чтобы заставить ядерную энергию служить целям процветания человеческого общества.

В отличие от американских монополистов, предпочитающих отделываться словесными заявлениями о мирном использовании ядерной энергии, а на деле готовиться к атомной войне, советский народ конкретными практическими мерами содействует использованию ядерной энергии в мирных целях. Именно Советский Союз является родиной атомной электростанции и «атомного света», открывших новую, атомную эпоху в жизни человечества, тогда как родиной атомной бомбы являются Соединенные Штаты Америки.

Мирный труд советского народа, строящего коммунизм, надежно охраняют воины Советских Вооруженных Сил, успешно овладевающие современной военной техникой и новым оружием. Советское государство обеспечивает свои Вооруженные Силы всеми видами современного вооружения и боевой техники, включая различные образцы ядерного оружия. Советские Вооруженные Силы имеют теперь разнообразное атомное и термоядерное оружие, мощное ракетное и реактивное вооружение разных типов, в том числе ракеты дальнего и сверхдальнего действия.

В подготовке войск необходимо исходить из характера войны будущего. Будущая война во многом будет отличаться от минувшей войны. Если она возникнет вопреки желаниям миролюбивых народов, она будет вестись в крайне напряженной обстановке как на суше, на море, так и в воздухе. Она охватит не только непосредственно театры военных действий, но и весь глубокий тыл воюющих сторон. Успех ее будет зависеть от ряда факторов, в частности от технического уровня и качества вооруженных сил, от морального духа, боевой выучки и мастерства войск.

Советские Вооруженные Силы должны быть в совершенстве подготовлены как к противоатомной защите нашей Родины и войск, так и для эффективного применения атомного и термоядерного оружия и в случае необходимости немедля нанести по агрессорам сокрушительные ответные удары. В подготовке наших войск нужно исходить из того, что у наших вероятных противников имеется достаточное количество этого оружия и средств доставки его на нашу территорию. Это обстоятельство обязывает наши Вооруженные Силы, особенно Противовоздушную оборону страны, Военно-воздушные силы, быть всегда готовыми пресечь любую попытку агрессора осуществить внезапное нападение на нашу страну.

Всякая авантюра с развязыванием новой мировой войны неизбежно окончится крахом для агрессоров; перед лицом объединенных сил миролюбивых государств и народов империализм непременно потерпит окончательное поражение.

(обратно)

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

I. Атом и атомное ядро

  1. Что такое атом

  2. Размеры и масса атома

  3. Великий закон природы

  4. Строение атома

II. Радиоактивность

  1. Что такое радиоактивность

  2. Свойства радиоактивных излучений

  3. Природа радиоактивности

  4. Основной закон радиоактивного распада

  5. Измерение радиоактивных излучений

III. Строение атомного ядра

  1. Состав атомного ядра

  2. Атомы-изотопы

  3. «Капельная» модель ядра

IV. Ядерная энергия

  1. Закон сохранения материи и ее движения

  2. Что такое ядерная энергия

  3. Возможные пути получения ядерной энергии

V. Ядерные реакции

  1. На пути овладения ядерными реакциями

  2. Деление тяжелых ядер

  3. Цепная реакция деления тяжелых ядер

  4. Термоядерная реакция

    А. Общие сведения о термоядерной реакции

    Б. Искусственные термоядерные реакции

    В. Перспективы осуществления управляемых термоядерных реакций

VI. Ядерное оружие

  1. Общие принципы устройства ядерного оружия

  2. Действие ядерных взрывов

  3. Радиоактивное загрязнение атмосферы

  4. Обнаружение ядерных взрывов на больших расстояниях

VII. Ядерные реакторы

  1. Общие сведения

  2. Принципиальная схема ядерного реактора

  3. Советские ядерные реакторы

VIII. Применение ядерной энергии

  1. Атомные электрические станции

  2. Атомные электрические батареи

  3. Атомные двигатели

  4. Применение радиоактивных изотопов

Заключение

(обратно)

Информация об издании

Виктор Александрович Михайлов

«ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ»

Редактор Кадер Я. М.

Консультанты издательства кандидаты технических наук Мкртичев М. Г., Науменко И. А.

Художественный редактор Гречихо Г. В.

Обложка художника Митрофанова С. А.

Технический редактор Медникова А. Н.

Корректор Иванова А. П.

-----

Сдано в набор 25.07.57 г.

Подписано к печати 7.12.57 г.

Формат бумаги 84×108¹/₃₂ — 5½ печ.л. 9,020 усл. печ.л. 9,22. уч.-изд.л. + 1 вклейка — ⅛ печ.л. = 0,205 усл. печ.л.

Г-32777.

Военное Издательство Министерства обороны Союза ССР

Москва, Тверской бульвар, 18.

Изд. № 1/9119.

Зак. 582.

-----

1-я типография имени С. К. Тимошенко

Управления Военного Издательства Министерства обороны Союза ССР

Москва, К-6, проезд Скворцова-Степанова, дом 3.

Цена 2 р. 75 к.

(обратно)

Примечания

1

См. статью акад. А. В. Топчиева «Устранить угрозу атомной войны». Газета «Правда» от 16 августа 1957 г.

(обратно)

2

В обычных условиях, в которых мы живем, вес и масса тела, выраженные в килограммах или граммах, численно равны между собой. Килограммовая гиря весит в наших условиях 1 кГ и в то же время имеет массу, равную 1 кг.

(обратно)

3

Для очень больших и очень малых чисел обычно пользуются такой записью:

Для больших чисел: 100= 10×10=10² — десять в квадрате или десять во второй степени; 1000=10×10×10=10³ — десять в третьей степени и т. д.;

миллиард коротко пишется так:

1 000 000 000=10⁹ — десять в девятой степени.

Для малых чисел:

0,001=1/1000=1/10³=10^-3 — десять в минус третьей степени.

Знак минус означает, что 10³ стоит не в числителе, а в знаменателе дроби. Одна миллиардная будет записываться так:

0,000000001=1/1000000000=1/10⁹=10^-9 — десять в минус девятой степени.

(обратно)

4

Ф. Энгельс. Диалектика природы, 1952 г., стр. 216.

(обратно)

5

В. И. Ленин. Соч., т. 14, стр. 249.

(обратно)

6

Число атомов в 1 г любого элемента равно числу Авогадро 6,02∙10²³, деленному на атомный вес этого элемента. Для гелия, атомный вес которого равен 4, это число составляет 6,02∙10²³/4= 1,5∙10²³ атомов на один грамм.

(обратно)

7

См. главу IV, раздел 3.

(обратно)

8

Эпицентром взрыва называется точка на поверхности земли, над которой произведен взрыв.

(обратно)

9

Подробное описание ряда советских реакторов имеется в докладах советских ученых на сессии Академии наук СССР в Москве (июль 1955 г.) и на Международной научно-технической конференции по мирному использованию атомной энергии в Женеве (август 1955 г.).

(обратно)

10

См. сборник «Проблемы использования атомной энергии», Воениздат, М., 1956 г.

(обратно)

11

См., например, Г. Н. Нестеренко, А. М. Соболев и Ю. Н. Сушков. Применение атомных двигателей в авиации, Воениздат, 1957 г.

(обратно)

12

А. Несмеянов. Применение радирактивных изотопов, Воениздат.

(обратно)

Оглавление

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ

ВВЕДЕНИЕ

I. ATOM И АТОМНОЕ ЯДРО

II. РАДИОАКТИВНОСТЬ

III. СТРОЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА

IV. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ

V. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

VI. ЯДЕРНОЕ ОРУЖИЕ

VII. ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ

VIII. ПРИМЕНЕНИЕ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

Информация об издании

*** Примечания ***