Использование внутриатомной энергии человеком
Разрушение атомных ядер сопровождается выделением огромных количеств энергии, в миллионы раз превышающих энергию обычных химических реакций.
Проблема использования внутриатомной (точнее внутриядерной) энергии уже давно привлекала к себе внимание исследователей.
Однако практическое решение этой задачи встречало ряд, казалось бы, непреодолимых препятствий.
Ядерные превращения осуществляются путем бомбардировки ядер или α-частицами, выбрасываемыми природными радиоактивными элементами, или протонами и дейтронами (ядрами тяжелого водорода), которым искусственно может быть сообщена большая скорость в специальных приборах, или, наконец, нейтронами.
Но при такой бомбардировке вероятность попадания летящих частиц в ядро очень мала. В лучшем случае число удачных попаданий, вызывающих расщепление ядра, составляет 1 : 104, т. е. из 10 000 летящих частиц только одна сталкивается с ядром, остальные же 9999 частиц теряются для реакции.
Наиболее благоприятны условия при бомбардировке ядер нейтронами, не имеющими зарядов и потому не отклоняемых ядром. Однако самое получение нейтронов при помощи ядерных реакций является мало эффективным.
Но главное препятствие к практическому использованию ядерной энергии заключалось в том, что не было известно ни одной реакции, которая, будучи раз вызвана воздействием извне, дальше продолжалась бы сама собой, как продолжается, например, горение зажженною топлива и некоторые другие химические реакции.
Исследование получения ядерной энергии
Совершенно новые перспективы получения ядерной энергии открылись в начале 1939 г., когда Гаи и Штрассман в Германии обнаружили, что при облучении нейтронами урана наряду с обычными ядерными реакциями происходит еще другой процесс— «расщепление» ядер этого элемента на две приблизительно равные части, причем выделяется в 10—20 раз больше энергии, чем в первом случае .
В это же примерно время советские физики К. А. Петржак и Г. Н. Флеров установили, что деление ядер урана происходит и самопроизвольно наряду с их обычным радиоактивным распадом, но значительно медленнее. Период полураспада для этого процесса равняется 1015—1016 лет.
Опыты с облучением урана нейтронами были повторены Жо-лио-Кюри во Франции, а также американскими физиками.
Было установлено, что образующиеся при дроблении урановых ядер осколки представляют собой неустойчивые изотопы различных более легких элементов, которые, подвергаясь затем β — радиоактивному распаду, превращаются в устойчивые изотопы.
Вместе с тем обнаружилась и важнейшая особенность новой ядерной реакции: оказалось, что вызванное нейтроном расщепление ядра урана сопровождается вылетом из него от одного до трех новых нейтронов, обладающих очень большой кинетической энергией.
Эти «вторичные» нейтроны, попадая в целые ядра урана, могут вызвать новое дробление их, в свою очередь сопровождающееся вылетом нейтронов, и т. д.
Таким образом, возникает возможность цепной ядерной реакции, в процессе которой выделяются нейтроны, способствующие ее дальнейшему самостоятельному течению.
Если вместо каждого нейтрона, вызвавшего дробление ядра, образуется больше одного нового нейтрона и каждый из этих нейтронов в свою очередь будет затрачен на дробление ядра, то скорость реакции будет непрерывно возрастать и произойдет взрыв.
Расщепления ядер урана
Дальнейшее изучение процесса расщепления ядер урана нейтронами показало, что реакция протекает сложнее, чем это предполагалось вначале.
Природный уран состоит в основном из двух изотопов U238 — 99,3% и U235 — 0,7%.
Первый, более тяжелый изотоп разлагается лишь под действием очень быстрых нейтронов. Поэтому большая часть нейтронов, попадающих в ядра изотопа U238, хотя и поглощается ими, но не вызывает их расщепления.
Наоборот, ядра изотопа U235 легко расщепляются нейтронами, и притом преимущественно медленными нейтронами.
Цепная реакция возможна только с изотопом U235, причем для осуществления ее необходимо сильно замедлить движение вторичных нейтронов.
Этого можно достигнуть, заставляя нейтроны проходить через вещество с малым атомным весом, так называемый замедлитель.
Наиболее подходящими замедлителями являются: водород (особенно его тяжелый изотоп дейтерий), а также бериллий и углерод (в виде графита), ядра которых при упругих столкновениях с нейтронами поглощают большую часть их энергии.
В природном уране, состоящем в основном из U238 и содержащем очень мало U235, цепная реакция на медленных нейтронах не может развиваться, так как вторичные нейтроны, прежде чем их движение достаточно замедлится, будут захватываться ядрами U238 и не вызовут дальнейших расщеплений.
Поэтому для проведения цепной реакции нужно отделить U235 от U238.
При захвате нейтронов ядрами U238 образуется β -радио-активный изотоп U239.
Разделение изотопов урана
Изучение дальнейших превращений этого изотопа, как мы уже говорили в предыдущем параграфе, привело к открытию первых трансурановых элементов — нептуния и плутония, причем было установлено, что ядра плутония так же легко расщепляются медленными нейтронами, как и ядра U235, выделяя огромную энергию и выбрасывая новые нейтроны.
Таковы были новые научные факты, ставшие известными уже в начале второй мировой войны. Они открывали вполне реальные возможности освобождения колоссальных количеств энергии.
Важнейшей задачей, которую надо было разрешить в первую очередь, являлось разделение изотопов урана и выделение чистого U235, так как представлялось вероятным, что его можно будет использовать в качестве взрывчатою вещества невиданной дотоле разрушительной силы.
Разделение изотопов даже в лабораторных условиях сопряжено с огромными экспериментальными и техническими трудностями.
Хотя известно много методов разделения изотопов, но все они чрезвычайно сложны, громоздки и мало эффективны.
В данном случае задача усложнялась еще тем, что содержание U235 в природном уране очень незначительно. Однако все эти трудности удалось преодолеть.
В результате многочисленных исследований и напряженной работы ученых и инженеров были выстроены заводы для разделения изотопов урана. Эти заводы стали добывать значительные количества U235.
Цепная реакция урана
Цепная реакция расщепления ядер может развиваться только в достаточно большом куске урана U235.
В противном случае большая часть нейтронов, образующихся при дроблении ядер U235, может вылететь из куска наружу еще до столкновения их с другими ядрами урана и цепная реакция оборвется.
Наименьшее количество U235, при котором еще возможна цепная реакция, называется критической массой.
Куски U235 меньшего размера не могут взрываться. Но при быстром сближении небольших кусков, общая масса которых превышает критическую, возникает бурная реакция и происходит взрыв.
На этом принципе основано устройство «атомной бомбы», первый вариант которой представлял собой два куска U235, разделенные друг от друга и заключенные в оболочку из специального материала, служащего отражателем нейтронов.
Масса каждого из кусков «взрывчатого материала» была несколько больше половины критической.
При очень быстром соединении кусков U235, осуществляемом взрывчатым веществом обычного типа, помещенным в общую с кусками урана внешнюю оболочку, происходит взрыв огромной силы.
Достаточно указать, что у места взрыва первых образцов атомной бомбы температура достигала нескольких миллионов градусов, а давление — нескольких миллионов атмосфер.
Управляемая цепная реакция
Одновременно с разделением изотопов урана во многих странах велись также работы по осуществлению управляемой цепной реакции в неразделенном уране.
Как уже было указано, в природном уране цепная реакция на медленных нейтронах не может развиваться вследствие поглощения нейтронов ядрами U238.
Но если разместить небольшие куски урана на равных расстояниях в массе графита, служащего замедлителем, то быстрые нейтроны, вылетающие из расщепленных ядер U235, проходя сквозь слой графита и сталкиваясь с легкими ядрами углерода, теряют свою скорость.
Попадая затем в новые куски урана, они уже мало поглощаются ядрами U238. Поэтому значительная часть их захватывается ядрами U235, вызывая расщепление последних.
В этих условиях цепной процесс идет далеко не так бурно, как в чистом U235, а главное — скорость его оказывается возможным регулировать.
Однако для поддержания процесса требуется довольно большое количество урана, и притом тщательно освобожденного от всяких примесей.
Установка, состоящая из кусков (блоков) урана, размещенных на определенных расстояниях в массе графита, получила название ядерного реактора или уранового котла.
Первый опытный ядерный реактор, сооруженный американцами, начал, действовать в декабре 1942 г. Он содержал около 6 т чистого урана — наименьшее количество, необходимое для его работы.
Получение плутония в ядерном реакторе
При действии реактора наряду с расщеплением ядер U235 и выделением большого количества энергии происходит еще другой очень важный процесс.
В следствие поглощения некоторой части нейтронов ядрами U238 в реакторе постепенно накапливается плутоний.
Так как плутоний является отличным от урана элементом, то он может быть отделен от урана химическими методами.
Для получения плутония американцы построили в Хэнфорде (штат Вашингтон) огромный завод, который начал выдавать плутоний в конце 1944 г.
Плутоний, так же как и U235, был применен американцами для изготовления атомных бомб.
Термоядерные процессы
При высоких температурах, развивающихся при взрыве атомной бомбы, может происходить синтез легких сложных ядер из более простых, например синтез гелия из изотопов водорода Н2 и Н3.
Такие процессы, называемые термоядерными, идут с выделением колоссального количества энергии.
Использование термоядерных процессов в так называемой водородной бомбе позволило получить оружие, во много раз превосходящее по мощности атомную бомбу.
Термоядерные процессы протекают в недрах Солнца и звезд и являются источником тех колоссальных потоков световой энергии, которые испускаются ими на протяжении миллиардов лет.
Первое использование внутриатомная энергия получила для создания оружия невиданной ранее разрушительной силы.
Некоторое, весьма небольшое, время монополистами в производстве этого оружия являлись американцы. Однако Советский Союз в короткий срок ликвидировал монополию США в этой области.
В то же время Советский Союз упорно и последовательно боролся и борется за полное запрещение атомного, водородного и других видов оружия массового уничтожения.
Атомная энергия на службе у человека
Стремясь поставить энергию атомного ядра на службу человеческому обществу, наша страна явилась пионером в использовании атомной энергии для мирных целей.
В июне 1954 г. в СССР была пущена первая в мире промышленная электростанция мощностью 5000 киловатт, работающая за счет энергии расщепления ядра урана.
Накопленный в результате эксплуатации этой станции опыт позволил приступить к созданию более мощных атомных электростанций.
В течение ближайших лет в нашей стране будет построено несколько атомных электростанций общей мощностью 2—2,5 миллиона киловатт. Строятся атомные электростанции также в Англии, США и других странах.
Значительное развитие атомной энергетики обусловливается большой транспортабельностью применяемого на этих станциях «атомного горючего».
Достаточно указать, что тепловая электростанция мощностью 500 тыс. киловатт потребляет в год около 100 тыс. вагонов угля, в то время как для атомной электростанции такой же мощности требуется только несколько вагонов урана.
Созданием атомных электростанций не ограничивается мирное использование внутриатомной энергии.
В различных странах мира ведутся работы по конструированию атомных силовых установок для транспортных целей.
Изотопы
Огромные перспективы имеет также использование ядерных излучений и радиоактивных изотопов.
Радиоактивные излучения с успехом применяются в медицине для лечения некоторых болезней, в промышленности, в сельском хозяйстве.
Радиоактивные изотопы различных химических элементов (кобальта, железа, углерода, фосфора, иода и др.) широко используются для решения научных и технических вопросов.
Мирное использование внутриатомной энергии находится еще в первой фазе своего развития. Многие направления такого использования еще только намечены или намечаются.
Однако достигнутые в течение последнего десятилетия результаты наглядно свидетельствуют о том, что использование энергии атомного ядра открывает перед человечеством обширные перспективы развития производительных сил, дальнейшего технического прогресса.
Быстрые ответы?
Для увеличения производства энергии во всем мире.
Обеспечивает доступ к чистой, надежной и доступной энергии, смягчая негативные последствия изменения климата.
Один килограмм урана с обогащением до 4%, используемого в ядерном топливе, при полном выгорании выделяет энергию, эквивалентную сжиганию примерно 100 тонн высококачественного каменного угля (1,5 железнодорожных вагона) или 60 тонн нефти (примерно 1 железнодорожная цистерна).