К сожалению, "потом" может не быть. Время жизни мю-мезона всего несколько миллионных долей секунды. Окончив свою "деятельность", он распадается на электрон и два нейтрино. Так что за отпущенное ему время он сможет инициировать синтез всего нескольких пар ядер. Выделившаяся при этом энергия составит малую долю той энергии, которую необходимо затратить на создание самого мю-мезона. Значит, такой синтез не имеет практической ценности для энергетики.
Что же показывают эти два примера "неудачной попытки" еще более эффективного и более легкого использования энергии ядра в энергетике? Возможно, пессимист скажет, что они подтверждают сказанное ранее: пока нет других, более эффективных способов высвобождения- энергии ядра. Оптимист ответил бы по-другому: наличие таких "почти пригодных" способов позволяет надеяться и показывает, что где-то рядом, пока еще скрытые от нас, существуют процессы, познав которые человек станет обладать еще большими запасами дешевой и нужной энергии. Надо только их искать. И ученые ищут.
Теоретики считают, что если получить уран в изомерном состоянии, то при делении, по-видимому, можно будет получить не 2,5, а, скажем, 5 свободных нейтронов. Почему это важно, мы увидим позже.
Теоретически показана возможность существования сверхплотных ядер. Пока трудно говорить о возможностях их использования, но стоит обратить внимание на то, что сверхплотные ядра должны обладать запасами внутренней энергии в тысячи раз большей, чем обычные ядра.
В энергетике, по-видимому, можно было бы использовать и ядра нейтронные, то есть состоящие почти из одних этих частиц. О такой возможности говорит теория.
КАК РАЗДЕЛИТЬ ЯДРО
Ценнейшее в жизни качество - вечно юное любопытство, не утоленное годами и возрождающееся каждое утро.
Ромен Роллан
В одном из номеров журнала "Иностранная литература" был напечатан памфлет "Законы Паркинсона".
В острой сатирической форме автор расскааал, Б частности, о заседании парламентариев, рассматривавших новые финансовые законопроекты. Около трех часов ушло на обсуждение такого "важного" законопроекта, как выдавать ли парламентариям в перерыве между заседаниями бесплатный кофе (стоимостью в несколько пенсов). По этому поводу почти каждый счел своим долгом высказать мнение потому, что вопрос этот был известен и близок каждому депутату. Другое дело - проведение законопроекта... о строительстве ядерного реактора (стоимостью в несколько миллионов фунтов стерлингов) . На это ушло меньше пяти минут, ибо высказываться не хотел никто. Не хотел? Вернее, не мог. Ведь для этого нужно обладать знаниями. А что такое ядерный реактор - парламентарии имели о нем самое общее представление.
В этом анекдоте есть доля правды. Как ни удивительно, но в век атомной энергетики и покорения космоса очень многие ничего или почти ничего не знают о ядерном реакторе, об атомной энергетике, которая гигантскими шагами входит в нашу жизнь. Может быть, причина этого в удивительно быстром развитии знаний ученых о тайнах атома? Может быть, это развитие настолько стремительное, что за ним не поспевает ясная и правдивая информация? А может быть, виновным является и сам ядерный реактор: ведь понимание процессов, происходящих при его работе, очень непростая вещь. В этом отношении он довольно парадоксален. Вот пример: чтобы сделать простейший реактор, не нужно знать почти ничего, кроме, пожалуй... рецепта, подобного рецепту, взятому из поваренной книги.
Выглядеть такой рецепт мог бы так. "Возьмите алюминиевый бак. Наполните его 20 литрами дистиллированной воды, засыпьте 3800 граммов уранилнитрата (уран с азотом), тщательно перемешайте смесь стальной ложкой. Затем быстро выньте ложку, и вы получите работающий ядерный реактор".
Конечно, это шутка. Однако в принципе именно так может выглядеть гомогенный (однородный) ядерный реактор на тепловых нейтронах. Но как, не имея опыта домашней хозяйки, а руководствуясь только рецептом, можно приготовить не обед, а лишь нечто с ним схожее, так, не зная принципов работы реактора, не имея необходимых контрольных приборов, можно получить бак с грязной водой, а если и реактор, то такой, которым невозможно управлять.
Хотя о существовании больших запасов энергии в ядре атома было известно очень давно, понадобилось несколько десятилетий исканий, расширения знаний о свойствах ядер атомов, длинная цепочка интересных, открытий, приведших к созданию ядерного реактора, - устройства, в котором освобождается энергия деления ядра.
Ядра со "знаком качества"
Чтобы разделить ядро и вызвать высвобождение внутренней энергии, нужно выбрать "инструмент", сравнимый с размером самого ядpav-ведь никто не станет разбивать грещшй opejc паровым молотом. Непригоден он и для разделения ядра. Его и не разбить таким инструментом.
Мы уже знаем несколько частиц, сравнимых с размером ядра. Перечислим их. Прежде всего это само же ядро. Затем нейтрон и протон. Пока достаточно. Они пригодны в качестве инструмента. А теперь стоит уточнить,, какими свойствами этот инструмент должен обладать.
Чтобы расколоть полено, разбить камень или распилить железную заготовкуг мало иметь остро отточенный топор,, удобный молоток или пилу, нужно еще затратить энергию. Нельзя забывать, что материалы бывают капризные: каждому нужна только "его" энергия - та, с помощью которой можно этот материал обработать.
Чтобы разделить ядро, нужно затратить энергию, различную для разных ядер.
При изучении строения атома и его ядра обычно возникает вопрос: почему ядро не разваливается само по себе? Ведь входящие в его состав протоны электрически заряжены, следовательно, они должны отталкиваться друг от друга с большой силой. Почему же этого не происходит? Объясняется это тем, что внутри ядра действуют еще так называемые внутриядерные силы, притягивающие друг к другу частицы ядра. Силы эти велики, но действуют только на очень близком расстоянии, поэтому их называют короткодействующими. Онито и компенсируют - гасят силы электрического отталкивания протонов и не дают ядру самопроизвольно распасться.
В пределах объема ядра составляющие его частицы находятся в беспрерывном движении. Если бы удалось добавить туда хотя бы немного энергии, то есть ввести ее избыточное количество, то частицы стали бы двигаться быстрее. Можно предположить, что они смогли бы преодолеть соединяющие их ядерные силы и "изнутри" взорвать, разделить ядро. Величину этой избыточной энергии (физики называют ее энергией возбуждения) можно рассчитать.
Если проделать эти вычисления, то окажется, что легче всего поддаются делению тяжелые ядра. Так, для урана-235 величина энергии возбуждения равна всего 5 миллионам электронвольт - 5 Мэв. (В своих расчетах физики предпочитают пользоваться этой единицей энергии. Один Мэв примерно равен 4-10^-17 килокалориям.) Для платины (атомный вес 195) величина возбуждения равна 40 Мэв, а для элемента с атомным весом 141 (празеодим) возрастет до 62 Мэв. Ядра тяжелых элементов самые неустойчивые. Достаточно лишь немного "подтолкнуть" такое ядро, то есть добавить небольшое количество энергии, как оно разделится.
Если теперь возобновить разговор об инструменте и энергии, то инструментом для деления атомного ядра могут быть, как уже говорилось, протоны, другие ядра или нейтроны. Попав в ядро, они должны иметь хороший запас энергии, то есть обладать большой скоростью. Этот запас должен быть не меньше той энергии возбуждения, о которой речь шла выше. Только тогда ядро перейдет в возбужденное состояние и произойдет его деление.
Для того чтобы протон или нейтрон обладали энергией 5 Мэв, необходимой, для деления урана-235, нужно, чтобы скорость их равнялась 30 тысячам километров в секунду.
Мы еще не обращали внимания на одно свойство частиц, представляющих собой инструмент для деления ядра, - их заряд. А ведь протоны и ядра атомов - это заряженные частицы, и именно поэтому они как инструмент непригодны для деления ядра. При сближении, например, протона с ядром между ними будут действовать силы отталкивания. Преодолевая их, протон потеряет часть своей энергии и попадет в ядро таким обессиленным, что уже не сможет разделить ядро. Значит, энергия заряженных частиц-снарядов должна быть очень большой (вспомните термоядерный синтез), существенно больше энергии, необходимой для деления ядра.
Поэтому в качестве инструмента для деления предпочтение надо отдать незаряженному нейтрону. Пользуясь своей нейтральностью, он может свободно проникать в ядро; ему не надо преодолевать силы отталкивания. Чтобы разделить ядро, он должен только принести в него энергию возбуждения, и ее будет достаточно для этой "операции".
Остановимся еще на одном факте, имеющем громадное значение для осуществления реакции деления.
Когда шла речь о синтезе элементов, мы заметили, что если лишь присоединить нейтрон к ядру, то, поскольку это будет уже элемент с другим атомным весом, должна выделиться энергия, обусловленная изменением недостатка (дефекта) массы. В случае присоединения нейтрона к урану-235 она равна примерно 7 Мэв. Прежде чем выделиться из ядра, эта энергия переведет его в возбужденное состояние. Следовательно, "простое присоединение" нейтрона к ядру уже вносит в него энергию возбуждения, большую той, которая необходима для разделения элемента с атомным весом 235 (она равна, если помните, 5 Мэв), точнее, 236, так как после присоединения нейтрона атомный вес увеличился на единичку.
Отсюда вытекает, что нейтрон не должен обладать никакой начальной энергией, его не нужно разгонять до 30 тысяч километров в секунду, необходимо только, чтобы он как-то попал в ядро. Тогда оно придет в возбужденное состояние и с большой вероятностью разделится. А уж само деление приведет к выделению энергии гораздо большей. О ее величине мы уже говорили: для урана-235 она равна примерно 200 Мэв на ядро (20 миллионов килокалорий на грамм урана).
Под действием нейтронов, не обладающих начальной энергией, могут делиться не все ядра, а только те, у которых энергия возбуждения, необходимая для их деления, меньше 7 Мэв, то есть той энергии, которая выделяется при простом добавлении нейтрона к ядру.
Таких ядер известно немного. Их атомный вес должен быть близким к 235, и для них энергия возбуждения, вызывающая деление их ядер, составляет около 5 Мэв.
Действительно, платина (атомный вес 195) уже не подходит. Энергия возбуждения, необходимая для ее деления, равна 40 Мэв. Элемент с атомным весом 141 вообще невыгодно делить: энергия, которую необходимо затратить на его деление (62 Мэв), меньше энергии, обусловленной дефектом массы и выделяющейся при делении (48 Мэв). Значит, нужные элементы со "знаком качества" следует искать вблизи атомного веса 235. Они легко делятся и отдают большую энергию, чем тратится на их деление. Прежде всего это сам уран с атомным весом 235, наиболее распространенный в природе, затем плутоний-239 и изотоп уран-233. Эти элементы называются делящимися.
Как это было
Последовательность шагов, которые мы делали, подходя к делению ядер, почти обратна историческому ходу событий. До 1938 года физики вообще не знали, что деление возможно. Лишь открыв это опытным путем, они объяснили природу данного явления: почему его легко осуществить с помощью нейтронов и трудно с помощью протонов. Вот как это происходило.
С 1919 года физики-экспериментаторы начали изучать ядра элементов, бомбардируя их-пучками летящих частиц: ядрами гелия (альфа-частицами), протонами.
При обстреле ядра влившаяся в него частица меняла его заряд и атомный вес. Первым человеком, осуществившим превращение ядра, был английский ученый Э. Резерфорд. Он наблюдал реакцию получения кислорода из азота при обстреле последнего ядрами гелия.
У многих исследователей потом возникла мысль о создании новых элементов, которых нет на земле. Начавшаяся серия опытов приносила массу новых сведений, одно открытие следовало за другим. Началась эта серия опытами французских молодых ученых Ирэн и Фредерика Жолио-Кюри. При бомбардировке бериллия ядрами гелия были обнаружены какие-то новые частицы. Д. Чедвик в Англии повторил опыты Кюри и показал, что эти новые частицы имели массу протона, но были лишены электрического заряда. Так были открыты нейтроны. Советским ученым Д. Иваненко и немецким физиком В. Гейзенбергом была выдвинута подтвердившаяся затем гипотеза о том, что нейтроны являются составной частью ядра.
В 1934 году Э. Ферми бомбардирует атомы вновь открытыми частицами нейтронами. Обстреливая ими уран, он получил новые радиоактивные ядра, которые принял за новые элементы, следующие в периодической таблице Менделеева за ураном.
Но лишь в 1939 году стало ясно, что в действительности происходит при обстреле урана нейтронами.
В конце 1938 года Ирэн Жолио-Кюри и югославский ученый Савич провели опыты по бомбардировке урана и обнаружили среди продуктов, возникших после бомбардировки, вещество, сходное с лантаном - элементом, весьма далеким от урана в таблице Менделеева.
Эти опыты были повторены О. Ганом и его сотрудником Ф. Штрассманом (Германия). Среди продуктов облучения они обнаружили барий и молибден и уже в январе 1939 года опубликовали это сенсационное сообщение.
Атомный вес бария 137, что означало, что его ядро содержит чуть более половины числа протонов и нейтронов ядра урана. Таким образом, было установлено, что ядро урана раскалывается на более легкие ядра, в числе которых ядро бария. Этот процесс назвали расщеплением ядра. Затем появился термин - деление.
Позже было установлено, что при делении урана-235 может образоваться до 30 пар различных элементов. Характер деления таков, что ядро распадается на равные половины или образует одно тяжелое и одно легкое ядра.
В дальнейшем опыты, поставленные Ф. ЖолиоКюри, показали, что при делении урана выделяется громадная энергия. При этом были обнаружены осколки урана на расстоянии трех миллиметров от места их деления, что свидетельствовало о ядерном взрыве. Ведь если сопоставить указанное расстояние с масштабом земного шара, то оно равносильно отбрасыванию осколков нашей планеты в случае ее взрыва на расстояние 400 миллионов миллиардов километров, то есть на половину диаметра нашей Галактики.
Сомнений не было - человек впервые осуществил ядерный взрыв.
Ленинградским физиком-теоретиком Я. Френкелем и датским ученым Н. Бором была разработана теория деления ядра урана. Из нее следовало, что при делении появляется больше нейтронов, чем нужно для образования легких ядер. Некоторые из этих частиц, вошедших в новые ядра, превращаются в протоны, испуская при этом один электрон. Другие, избыточные, нейтроны выбрасываются из ядра и остаются свободными.
Об испускании нескольких нейтронов расколовшимся ядром стало достоверно известно в начале 1939 года после проведения экспериментов по делению урана. Это и натолкнуло физиков разных стран на мысль узнать, сколько же нейтронов испускается при делении урана.
Они готовили эксперименты и с нетерпением ожидали своих и чужих результатов.
По разным причинам им представлялось, что результаты будут различные. Так, венгерский физик Л. Сциллард, эмигрировавший в Америку, в письме к Ф. Жолио-Кюри изложил свои надежды, отражающие ту драматическую ситуацию, в которой находились ученые:
"Мы все надеемся, что количество выделяющихся нейтронов либо равно нулю, либо недостаточно, и нам не придется больше беспокоиться по этому поводу".
Что же вызвало беспокойство ученых? Сформулируем задачу, которую необходимо было решить, четче.
Сформулируем ее так, какой она представлялась физикам, начинавшим борьбу за покорение атома.
Предстояло создать установку большой мощности для получения энергии от деления ядер. Если бы не требование высокой мощности, такую установку можно было бы создать довольно просто. Надо взять кусок урана-235 и начать обстреливать его нейтронами. В качестве источника нейтронов, состоящего из смеси нескольких элементов (в том числе радиоактивных), используем такой, из которого в секунду вылетает 30 миллиардов нейтронов. Для нас "сейчас неважно, как устроен этот источник. Отметим только, что он очень большой мощности по сравнению с источниками, применяемыми, например, физиками-экспериментаторами.
Допустим, что все нейтроны, попав в ядра урана, вызовут их деление. В таком случае в секунду будет выделяться 2-10^-4 килокалорий. Но это же очень и очень мало! В этой установке в течение суток выделится всего 20 килокалорий, то есть энергия, достаточная лишь для того, чтобы вскипятить стакан воды. Ясно, что такая установка для энергетики не годится. У нее должен быть другой принцип работы. Какой? Примерно такой, как в обычной реакции горения. Ведь мы не поджигаем спичкой каждое полено, каждый кусок угля и не подводим энергию к каждой паре атомов углерода и кислорода. Достаточно зажечь топливо в каком-то одном месте, а дальше реакция охватывает всю горючую массу. Пламя, словно по цепочке, переходит от одной части топлива к другой. Так осуществляется цепная реакция горения.
Теперь нет никаких сомнений, что для деления урана нужна также цепная реакция. Деление одного ядра должно вызывать деление других; именно здесь должны сыграть свою роль нейтроны, вылетающие при делении. Они и будут тем пламенем, которое перенесет реакцию от одного ядра к другому.
Пусть в нашем распоряжении только 100 нейтронов.
Кажется, это не так много. Но такой малостью можно многого добиться: можно расщепить 100 ядер урана.
Если при этом из каждого разделившегося ядра вылетит по 3 новых нейтрона, то мощность реакции очень быстро разовьется и она пойдет сама собой. Из разделившихся 100 ядер урана вылетят 300 новых нейтронов уже второго поколения (первое поколение - это 100 исходных нейтронов). Нейтроны второго поколения произведут уже 300 делений, при которых вылетит 900 нейтронов уже третьего поколения. В следующем число делений снова увеличится в три раза и станет равным 2700, затем 8100 и т. д. Число делений будет увеличиваться безгранично, если вовремя не остановить этот процесс. Такая цепная реакция называется растущей.
Если бы при каждом делении урана вылетало не 3 нейтрона, а только один, то число делений в каждом поколении оставалось бы постоянным. Наконец, если при делении вылетало бы меньше одного нейтрона, скажем, 0,5 (один нейтрон на два акта деления), тогда число делений в последующих поколениях сокращалось бы вдвое: вместо 100-50, затем 25... Такая цепная реакция в конце концов прекратится.
Теперь мы подошли к концу поиска принципов работы установки, использующей энергию деления ядер.
Впрочем, с точки зрения физика, тут-то и начинается настоящий поиск. И пожалуй, он будет прав. Пока мы знаем только принцип работы установки, но ведь ее еще нужео сделать так, чтобы осуществился найденный принцип.
После открытия деления ядер в том же, 1939 году на научном совещании советских физиков в московском Доме ученых обсуждалась возможность возникновения цепной реакции деления урана. Хотя было еще очень мало экспериментальных данных, общие условия, необходимые для осуществления цепной реакции, были сформулированы. Со времени этого совещания исследования деления урана нейтронами заняли центральное место в лаборатории крупного ученого-физика Игоря Васильевича Курчатова, работавшего тогда в Ленинградском физико-техническом институте. Он организовал семинар, на котором обсуждались все вопросы деления урана. К работе были привлечены ленинградские физики Ю. Харитон, Я. Зельдович, Г. Флеров. Уже в ноябре 1939 года на состоявшемся в Харькове совещании физико-математического отделения Академии наук СССР Ю. Харитоя изложил проведенное им и Я. Зельдовичем теоретическое исследование течения цепной реакции в уране. После харьковского совещания И. Курчатов направил все научные силы на исследования размножения нейтронов. Его молодые сотрудники Г. Флеров и К. Петржак изучали процессы деления урана, когда нейтроны "поставлялись" внешним источником. Както поздней ночью, собираясь идти домой, они его убрали и поразились: деление урана продолжалось. Соратник И. Курчатова физик И. Головин так описывает продолжение этого события. "Позвонили Курчатову. Обсудили удивительный результат и продолжали наблюдать.
В два часа ночи Курчатов позвонил в лабораторию и сказал: "Тщательно проверьте. Это не открытие, а какая-то грязь". В течение нескольких месяцев он заставлял своих учеников менять условия опытов и добывать неопровержимые факты. Возникали сомнения: может быть, лаборатория заражена радиоактивностью? Нет, ни один радиоактивный элемент не мог дать таких сильных импульсов. Может быть, деление вызывают космические лучи? Немедленно опыты переносятся под землю, на станцию "Динамо" Московского метрополитена. Нет, космические лучи тут ни при чем... Когда все сомнения были разрешены, И. Курчатов Наконец согласился на опубликование открытия.
Г. Флеров с К. Петржаком в начале 1940 года послали краткое сообщение об открытом ими новом явлении - самопроизвольном делении урана - в американский журнал "Физикал ревью", в котором печаталось большинство сообщений об уране. Письмо было опубликовано, но проходили неделя за неделей, а отклика все не было. Просматривая американские журналы, советские физики обнаружили поразительный факт. После бурного потока статей, наперебой сообщавших о результатах исследования деления урана, американская печать вдруг умолкла".
После Великой Отечественной войны мы узнали, что инициатором засекречивания работ по урану была группа физиков во главе со Сциллардом. Да, именно тем Сциллардом, который в письме к Ф. Жолио-Кюри выражал надежду, что число нейтронов, выделяющихся при делении, будет слишком малым, чтобы вызвать беспокойство. Беспокойство какого рода его волновало, из-за чего?
Теперь это очевидно. Если число нейтронов, вылетающих при одном акте деления, велико, то возможна растущая цепная реакция деления, которая, если ее не контролировать, может привести к взрыву, взрыву громадной мощности. А это не что иное, как атомная бомба. Надо иметь в виду, что в эти годы в Германии фашизм достиг апогея. Всем было ясно, куда гитлеровцы ведут мир: он стоял на грани второй мировой войны.
Опасаясь, что получаемые результаты могут быть использованы фашизмом для создания ядерного оружия, Л. Сциллард и предложил засекретить работы по урановой проблеме.
В Советском Союзе урановая проблема последний раз открыто обсуждалась в Москве в ноябре 1940 года на Всесоюзном совещании по физике атомного ядра.
И. Курчатов и Ю. Харитон выступили тогда с обстоятельными докладами об условиях осуществления цепной реакции.
После этого общение физиков СССР, США и других стран прервалось. Возобновилось оно только в послевоенные годы.
Что же касается количества нейтронов, вылетающих при делении урана, то их оказалось достаточно. Первые эксперименты, проведенные группой Ф. Жолио-Кюри, разрушили отчаянные надежды Л. Сцилларда на то, что ядерная реакция заглохнет. Освобождение энергии атома оказалось возможным: при делении одного ядра урана французские физики насчитали от 2,8 до 4,2 вылетающего нейтрона. Позже это число было уточнено: тщательные измерения показали, что количество освобождающихся нейтронов неодинаково в разных случаях деления и зависит от того, каким образом распалось ядро урана. При одном акте деления может быть всего один нейтрон, при другом - два, а при следующем - три.
Если подсчитать среднее число нейтронов, вылетающих при делении, то окажется, что оно равно 2,5.
Заканчивая рассказ об истории открытия деления урана, нельзя пройти мимо такого важного факта: большую часть фундаментальных открытий делали молодые ученые. В те годы Э. Ферми, И. Курчатову и Ф. ЖолиоКюри было всего по 30-35 лет. Да и ныне стало привычным, что самый большой творческий вклад в развитие науки вносят молодые исследователи. Их успех объясняется тем, что им легче выкорчевывать из своего подсознания устаревшие понятия и истины.
Открытие, сделанное в бассейне
Казалось бы, имеется все для создания установки по извлечению энергии ядра: есть уран-235, способный делиться, есть самопроизвольное деление урана, которое дает начало цепной реакции, и, наконец, для поддержания цепной реакции есть большое количество нейтронов, вылетающих при делении.
Если бы, скажем, возникло требование построить атомный реактор мощностью 500 ватт, работающий на протяжении пяти лет, то понадобился бы всего один грамм урана.
Однако нечего надеяться с помощью такого реактора вскипятить воду в чайнике (ведь 500 ватт - мощность обычной бытовой электроплитки), так как в нем не возникнет самоподдерживающейся цепной реакции.
Почему?
В какой-то момент в таком кусочке урана произойдет самопроизвольное деление хотя бы одного ядра. Допустим, при этом вылетят два нейтрона, которые, попав в еаходящиеся рядом два ядра урана, вызовут их деление... По логике вещей, должна получиться цепная реакция. Но быть уверенным в том, что два нейтрона, вылетевшие при самопроизвольном делении первого ядра, попадут в соседние ядра урана, нельзя.
Можео привести такой пример. Попробуйте, встав напротив открытого окна дома, попасть в него хотя бы теннисным мячиком. Можно с уверенностью сказать, что это сделать нетрудно. Но если, скажем, в каком-то заранее неизвестном месте будет подвешен спичечный коробок и попасть в него надо с закрытыми глазами, мячик, пожалуй, придется бросать несколько тысяч раз.
Что же показывают эти два примера "неудачной попытки" еще более эффективного и более легкого использования энергии ядра в энергетике? Возможно, пессимист скажет, что они подтверждают сказанное ранее: пока нет других, более эффективных способов высвобождения- энергии ядра. Оптимист ответил бы по-другому: наличие таких "почти пригодных" способов позволяет надеяться и показывает, что где-то рядом, пока еще скрытые от нас, существуют процессы, познав которые человек станет обладать еще большими запасами дешевой и нужной энергии. Надо только их искать. И ученые ищут.
Теоретики считают, что если получить уран в изомерном состоянии, то при делении, по-видимому, можно будет получить не 2,5, а, скажем, 5 свободных нейтронов. Почему это важно, мы увидим позже.
Теоретически показана возможность существования сверхплотных ядер. Пока трудно говорить о возможностях их использования, но стоит обратить внимание на то, что сверхплотные ядра должны обладать запасами внутренней энергии в тысячи раз большей, чем обычные ядра.
В энергетике, по-видимому, можно было бы использовать и ядра нейтронные, то есть состоящие почти из одних этих частиц. О такой возможности говорит теория.
КАК РАЗДЕЛИТЬ ЯДРО
Ценнейшее в жизни качество - вечно юное любопытство, не утоленное годами и возрождающееся каждое утро.
Ромен Роллан
В одном из номеров журнала "Иностранная литература" был напечатан памфлет "Законы Паркинсона".
В острой сатирической форме автор расскааал, Б частности, о заседании парламентариев, рассматривавших новые финансовые законопроекты. Около трех часов ушло на обсуждение такого "важного" законопроекта, как выдавать ли парламентариям в перерыве между заседаниями бесплатный кофе (стоимостью в несколько пенсов). По этому поводу почти каждый счел своим долгом высказать мнение потому, что вопрос этот был известен и близок каждому депутату. Другое дело - проведение законопроекта... о строительстве ядерного реактора (стоимостью в несколько миллионов фунтов стерлингов) . На это ушло меньше пяти минут, ибо высказываться не хотел никто. Не хотел? Вернее, не мог. Ведь для этого нужно обладать знаниями. А что такое ядерный реактор - парламентарии имели о нем самое общее представление.
В этом анекдоте есть доля правды. Как ни удивительно, но в век атомной энергетики и покорения космоса очень многие ничего или почти ничего не знают о ядерном реакторе, об атомной энергетике, которая гигантскими шагами входит в нашу жизнь. Может быть, причина этого в удивительно быстром развитии знаний ученых о тайнах атома? Может быть, это развитие настолько стремительное, что за ним не поспевает ясная и правдивая информация? А может быть, виновным является и сам ядерный реактор: ведь понимание процессов, происходящих при его работе, очень непростая вещь. В этом отношении он довольно парадоксален. Вот пример: чтобы сделать простейший реактор, не нужно знать почти ничего, кроме, пожалуй... рецепта, подобного рецепту, взятому из поваренной книги.
Выглядеть такой рецепт мог бы так. "Возьмите алюминиевый бак. Наполните его 20 литрами дистиллированной воды, засыпьте 3800 граммов уранилнитрата (уран с азотом), тщательно перемешайте смесь стальной ложкой. Затем быстро выньте ложку, и вы получите работающий ядерный реактор".
Конечно, это шутка. Однако в принципе именно так может выглядеть гомогенный (однородный) ядерный реактор на тепловых нейтронах. Но как, не имея опыта домашней хозяйки, а руководствуясь только рецептом, можно приготовить не обед, а лишь нечто с ним схожее, так, не зная принципов работы реактора, не имея необходимых контрольных приборов, можно получить бак с грязной водой, а если и реактор, то такой, которым невозможно управлять.
Хотя о существовании больших запасов энергии в ядре атома было известно очень давно, понадобилось несколько десятилетий исканий, расширения знаний о свойствах ядер атомов, длинная цепочка интересных, открытий, приведших к созданию ядерного реактора, - устройства, в котором освобождается энергия деления ядра.
Ядра со "знаком качества"
Чтобы разделить ядро и вызвать высвобождение внутренней энергии, нужно выбрать "инструмент", сравнимый с размером самого ядpav-ведь никто не станет разбивать грещшй opejc паровым молотом. Непригоден он и для разделения ядра. Его и не разбить таким инструментом.
Мы уже знаем несколько частиц, сравнимых с размером ядра. Перечислим их. Прежде всего это само же ядро. Затем нейтрон и протон. Пока достаточно. Они пригодны в качестве инструмента. А теперь стоит уточнить,, какими свойствами этот инструмент должен обладать.
Чтобы расколоть полено, разбить камень или распилить железную заготовкуг мало иметь остро отточенный топор,, удобный молоток или пилу, нужно еще затратить энергию. Нельзя забывать, что материалы бывают капризные: каждому нужна только "его" энергия - та, с помощью которой можно этот материал обработать.
Чтобы разделить ядро, нужно затратить энергию, различную для разных ядер.
При изучении строения атома и его ядра обычно возникает вопрос: почему ядро не разваливается само по себе? Ведь входящие в его состав протоны электрически заряжены, следовательно, они должны отталкиваться друг от друга с большой силой. Почему же этого не происходит? Объясняется это тем, что внутри ядра действуют еще так называемые внутриядерные силы, притягивающие друг к другу частицы ядра. Силы эти велики, но действуют только на очень близком расстоянии, поэтому их называют короткодействующими. Онито и компенсируют - гасят силы электрического отталкивания протонов и не дают ядру самопроизвольно распасться.
В пределах объема ядра составляющие его частицы находятся в беспрерывном движении. Если бы удалось добавить туда хотя бы немного энергии, то есть ввести ее избыточное количество, то частицы стали бы двигаться быстрее. Можно предположить, что они смогли бы преодолеть соединяющие их ядерные силы и "изнутри" взорвать, разделить ядро. Величину этой избыточной энергии (физики называют ее энергией возбуждения) можно рассчитать.
Если проделать эти вычисления, то окажется, что легче всего поддаются делению тяжелые ядра. Так, для урана-235 величина энергии возбуждения равна всего 5 миллионам электронвольт - 5 Мэв. (В своих расчетах физики предпочитают пользоваться этой единицей энергии. Один Мэв примерно равен 4-10^-17 килокалориям.) Для платины (атомный вес 195) величина возбуждения равна 40 Мэв, а для элемента с атомным весом 141 (празеодим) возрастет до 62 Мэв. Ядра тяжелых элементов самые неустойчивые. Достаточно лишь немного "подтолкнуть" такое ядро, то есть добавить небольшое количество энергии, как оно разделится.
Если теперь возобновить разговор об инструменте и энергии, то инструментом для деления атомного ядра могут быть, как уже говорилось, протоны, другие ядра или нейтроны. Попав в ядро, они должны иметь хороший запас энергии, то есть обладать большой скоростью. Этот запас должен быть не меньше той энергии возбуждения, о которой речь шла выше. Только тогда ядро перейдет в возбужденное состояние и произойдет его деление.
Для того чтобы протон или нейтрон обладали энергией 5 Мэв, необходимой, для деления урана-235, нужно, чтобы скорость их равнялась 30 тысячам километров в секунду.
Мы еще не обращали внимания на одно свойство частиц, представляющих собой инструмент для деления ядра, - их заряд. А ведь протоны и ядра атомов - это заряженные частицы, и именно поэтому они как инструмент непригодны для деления ядра. При сближении, например, протона с ядром между ними будут действовать силы отталкивания. Преодолевая их, протон потеряет часть своей энергии и попадет в ядро таким обессиленным, что уже не сможет разделить ядро. Значит, энергия заряженных частиц-снарядов должна быть очень большой (вспомните термоядерный синтез), существенно больше энергии, необходимой для деления ядра.
Поэтому в качестве инструмента для деления предпочтение надо отдать незаряженному нейтрону. Пользуясь своей нейтральностью, он может свободно проникать в ядро; ему не надо преодолевать силы отталкивания. Чтобы разделить ядро, он должен только принести в него энергию возбуждения, и ее будет достаточно для этой "операции".
Остановимся еще на одном факте, имеющем громадное значение для осуществления реакции деления.
Когда шла речь о синтезе элементов, мы заметили, что если лишь присоединить нейтрон к ядру, то, поскольку это будет уже элемент с другим атомным весом, должна выделиться энергия, обусловленная изменением недостатка (дефекта) массы. В случае присоединения нейтрона к урану-235 она равна примерно 7 Мэв. Прежде чем выделиться из ядра, эта энергия переведет его в возбужденное состояние. Следовательно, "простое присоединение" нейтрона к ядру уже вносит в него энергию возбуждения, большую той, которая необходима для разделения элемента с атомным весом 235 (она равна, если помните, 5 Мэв), точнее, 236, так как после присоединения нейтрона атомный вес увеличился на единичку.
Отсюда вытекает, что нейтрон не должен обладать никакой начальной энергией, его не нужно разгонять до 30 тысяч километров в секунду, необходимо только, чтобы он как-то попал в ядро. Тогда оно придет в возбужденное состояние и с большой вероятностью разделится. А уж само деление приведет к выделению энергии гораздо большей. О ее величине мы уже говорили: для урана-235 она равна примерно 200 Мэв на ядро (20 миллионов килокалорий на грамм урана).
Под действием нейтронов, не обладающих начальной энергией, могут делиться не все ядра, а только те, у которых энергия возбуждения, необходимая для их деления, меньше 7 Мэв, то есть той энергии, которая выделяется при простом добавлении нейтрона к ядру.
Таких ядер известно немного. Их атомный вес должен быть близким к 235, и для них энергия возбуждения, вызывающая деление их ядер, составляет около 5 Мэв.
Действительно, платина (атомный вес 195) уже не подходит. Энергия возбуждения, необходимая для ее деления, равна 40 Мэв. Элемент с атомным весом 141 вообще невыгодно делить: энергия, которую необходимо затратить на его деление (62 Мэв), меньше энергии, обусловленной дефектом массы и выделяющейся при делении (48 Мэв). Значит, нужные элементы со "знаком качества" следует искать вблизи атомного веса 235. Они легко делятся и отдают большую энергию, чем тратится на их деление. Прежде всего это сам уран с атомным весом 235, наиболее распространенный в природе, затем плутоний-239 и изотоп уран-233. Эти элементы называются делящимися.
Как это было
Последовательность шагов, которые мы делали, подходя к делению ядер, почти обратна историческому ходу событий. До 1938 года физики вообще не знали, что деление возможно. Лишь открыв это опытным путем, они объяснили природу данного явления: почему его легко осуществить с помощью нейтронов и трудно с помощью протонов. Вот как это происходило.
С 1919 года физики-экспериментаторы начали изучать ядра элементов, бомбардируя их-пучками летящих частиц: ядрами гелия (альфа-частицами), протонами.
При обстреле ядра влившаяся в него частица меняла его заряд и атомный вес. Первым человеком, осуществившим превращение ядра, был английский ученый Э. Резерфорд. Он наблюдал реакцию получения кислорода из азота при обстреле последнего ядрами гелия.
У многих исследователей потом возникла мысль о создании новых элементов, которых нет на земле. Начавшаяся серия опытов приносила массу новых сведений, одно открытие следовало за другим. Началась эта серия опытами французских молодых ученых Ирэн и Фредерика Жолио-Кюри. При бомбардировке бериллия ядрами гелия были обнаружены какие-то новые частицы. Д. Чедвик в Англии повторил опыты Кюри и показал, что эти новые частицы имели массу протона, но были лишены электрического заряда. Так были открыты нейтроны. Советским ученым Д. Иваненко и немецким физиком В. Гейзенбергом была выдвинута подтвердившаяся затем гипотеза о том, что нейтроны являются составной частью ядра.
В 1934 году Э. Ферми бомбардирует атомы вновь открытыми частицами нейтронами. Обстреливая ими уран, он получил новые радиоактивные ядра, которые принял за новые элементы, следующие в периодической таблице Менделеева за ураном.
Но лишь в 1939 году стало ясно, что в действительности происходит при обстреле урана нейтронами.
В конце 1938 года Ирэн Жолио-Кюри и югославский ученый Савич провели опыты по бомбардировке урана и обнаружили среди продуктов, возникших после бомбардировки, вещество, сходное с лантаном - элементом, весьма далеким от урана в таблице Менделеева.
Эти опыты были повторены О. Ганом и его сотрудником Ф. Штрассманом (Германия). Среди продуктов облучения они обнаружили барий и молибден и уже в январе 1939 года опубликовали это сенсационное сообщение.
Атомный вес бария 137, что означало, что его ядро содержит чуть более половины числа протонов и нейтронов ядра урана. Таким образом, было установлено, что ядро урана раскалывается на более легкие ядра, в числе которых ядро бария. Этот процесс назвали расщеплением ядра. Затем появился термин - деление.
Позже было установлено, что при делении урана-235 может образоваться до 30 пар различных элементов. Характер деления таков, что ядро распадается на равные половины или образует одно тяжелое и одно легкое ядра.
В дальнейшем опыты, поставленные Ф. ЖолиоКюри, показали, что при делении урана выделяется громадная энергия. При этом были обнаружены осколки урана на расстоянии трех миллиметров от места их деления, что свидетельствовало о ядерном взрыве. Ведь если сопоставить указанное расстояние с масштабом земного шара, то оно равносильно отбрасыванию осколков нашей планеты в случае ее взрыва на расстояние 400 миллионов миллиардов километров, то есть на половину диаметра нашей Галактики.
Сомнений не было - человек впервые осуществил ядерный взрыв.
Ленинградским физиком-теоретиком Я. Френкелем и датским ученым Н. Бором была разработана теория деления ядра урана. Из нее следовало, что при делении появляется больше нейтронов, чем нужно для образования легких ядер. Некоторые из этих частиц, вошедших в новые ядра, превращаются в протоны, испуская при этом один электрон. Другие, избыточные, нейтроны выбрасываются из ядра и остаются свободными.
Об испускании нескольких нейтронов расколовшимся ядром стало достоверно известно в начале 1939 года после проведения экспериментов по делению урана. Это и натолкнуло физиков разных стран на мысль узнать, сколько же нейтронов испускается при делении урана.
Они готовили эксперименты и с нетерпением ожидали своих и чужих результатов.
По разным причинам им представлялось, что результаты будут различные. Так, венгерский физик Л. Сциллард, эмигрировавший в Америку, в письме к Ф. Жолио-Кюри изложил свои надежды, отражающие ту драматическую ситуацию, в которой находились ученые:
"Мы все надеемся, что количество выделяющихся нейтронов либо равно нулю, либо недостаточно, и нам не придется больше беспокоиться по этому поводу".
Что же вызвало беспокойство ученых? Сформулируем задачу, которую необходимо было решить, четче.
Сформулируем ее так, какой она представлялась физикам, начинавшим борьбу за покорение атома.
Предстояло создать установку большой мощности для получения энергии от деления ядер. Если бы не требование высокой мощности, такую установку можно было бы создать довольно просто. Надо взять кусок урана-235 и начать обстреливать его нейтронами. В качестве источника нейтронов, состоящего из смеси нескольких элементов (в том числе радиоактивных), используем такой, из которого в секунду вылетает 30 миллиардов нейтронов. Для нас "сейчас неважно, как устроен этот источник. Отметим только, что он очень большой мощности по сравнению с источниками, применяемыми, например, физиками-экспериментаторами.
Допустим, что все нейтроны, попав в ядра урана, вызовут их деление. В таком случае в секунду будет выделяться 2-10^-4 килокалорий. Но это же очень и очень мало! В этой установке в течение суток выделится всего 20 килокалорий, то есть энергия, достаточная лишь для того, чтобы вскипятить стакан воды. Ясно, что такая установка для энергетики не годится. У нее должен быть другой принцип работы. Какой? Примерно такой, как в обычной реакции горения. Ведь мы не поджигаем спичкой каждое полено, каждый кусок угля и не подводим энергию к каждой паре атомов углерода и кислорода. Достаточно зажечь топливо в каком-то одном месте, а дальше реакция охватывает всю горючую массу. Пламя, словно по цепочке, переходит от одной части топлива к другой. Так осуществляется цепная реакция горения.
Теперь нет никаких сомнений, что для деления урана нужна также цепная реакция. Деление одного ядра должно вызывать деление других; именно здесь должны сыграть свою роль нейтроны, вылетающие при делении. Они и будут тем пламенем, которое перенесет реакцию от одного ядра к другому.
Пусть в нашем распоряжении только 100 нейтронов.
Кажется, это не так много. Но такой малостью можно многого добиться: можно расщепить 100 ядер урана.
Если при этом из каждого разделившегося ядра вылетит по 3 новых нейтрона, то мощность реакции очень быстро разовьется и она пойдет сама собой. Из разделившихся 100 ядер урана вылетят 300 новых нейтронов уже второго поколения (первое поколение - это 100 исходных нейтронов). Нейтроны второго поколения произведут уже 300 делений, при которых вылетит 900 нейтронов уже третьего поколения. В следующем число делений снова увеличится в три раза и станет равным 2700, затем 8100 и т. д. Число делений будет увеличиваться безгранично, если вовремя не остановить этот процесс. Такая цепная реакция называется растущей.
Если бы при каждом делении урана вылетало не 3 нейтрона, а только один, то число делений в каждом поколении оставалось бы постоянным. Наконец, если при делении вылетало бы меньше одного нейтрона, скажем, 0,5 (один нейтрон на два акта деления), тогда число делений в последующих поколениях сокращалось бы вдвое: вместо 100-50, затем 25... Такая цепная реакция в конце концов прекратится.
Теперь мы подошли к концу поиска принципов работы установки, использующей энергию деления ядер.
Впрочем, с точки зрения физика, тут-то и начинается настоящий поиск. И пожалуй, он будет прав. Пока мы знаем только принцип работы установки, но ведь ее еще нужео сделать так, чтобы осуществился найденный принцип.
После открытия деления ядер в том же, 1939 году на научном совещании советских физиков в московском Доме ученых обсуждалась возможность возникновения цепной реакции деления урана. Хотя было еще очень мало экспериментальных данных, общие условия, необходимые для осуществления цепной реакции, были сформулированы. Со времени этого совещания исследования деления урана нейтронами заняли центральное место в лаборатории крупного ученого-физика Игоря Васильевича Курчатова, работавшего тогда в Ленинградском физико-техническом институте. Он организовал семинар, на котором обсуждались все вопросы деления урана. К работе были привлечены ленинградские физики Ю. Харитон, Я. Зельдович, Г. Флеров. Уже в ноябре 1939 года на состоявшемся в Харькове совещании физико-математического отделения Академии наук СССР Ю. Харитоя изложил проведенное им и Я. Зельдовичем теоретическое исследование течения цепной реакции в уране. После харьковского совещания И. Курчатов направил все научные силы на исследования размножения нейтронов. Его молодые сотрудники Г. Флеров и К. Петржак изучали процессы деления урана, когда нейтроны "поставлялись" внешним источником. Както поздней ночью, собираясь идти домой, они его убрали и поразились: деление урана продолжалось. Соратник И. Курчатова физик И. Головин так описывает продолжение этого события. "Позвонили Курчатову. Обсудили удивительный результат и продолжали наблюдать.
В два часа ночи Курчатов позвонил в лабораторию и сказал: "Тщательно проверьте. Это не открытие, а какая-то грязь". В течение нескольких месяцев он заставлял своих учеников менять условия опытов и добывать неопровержимые факты. Возникали сомнения: может быть, лаборатория заражена радиоактивностью? Нет, ни один радиоактивный элемент не мог дать таких сильных импульсов. Может быть, деление вызывают космические лучи? Немедленно опыты переносятся под землю, на станцию "Динамо" Московского метрополитена. Нет, космические лучи тут ни при чем... Когда все сомнения были разрешены, И. Курчатов Наконец согласился на опубликование открытия.
Г. Флеров с К. Петржаком в начале 1940 года послали краткое сообщение об открытом ими новом явлении - самопроизвольном делении урана - в американский журнал "Физикал ревью", в котором печаталось большинство сообщений об уране. Письмо было опубликовано, но проходили неделя за неделей, а отклика все не было. Просматривая американские журналы, советские физики обнаружили поразительный факт. После бурного потока статей, наперебой сообщавших о результатах исследования деления урана, американская печать вдруг умолкла".
После Великой Отечественной войны мы узнали, что инициатором засекречивания работ по урану была группа физиков во главе со Сциллардом. Да, именно тем Сциллардом, который в письме к Ф. Жолио-Кюри выражал надежду, что число нейтронов, выделяющихся при делении, будет слишком малым, чтобы вызвать беспокойство. Беспокойство какого рода его волновало, из-за чего?
Теперь это очевидно. Если число нейтронов, вылетающих при одном акте деления, велико, то возможна растущая цепная реакция деления, которая, если ее не контролировать, может привести к взрыву, взрыву громадной мощности. А это не что иное, как атомная бомба. Надо иметь в виду, что в эти годы в Германии фашизм достиг апогея. Всем было ясно, куда гитлеровцы ведут мир: он стоял на грани второй мировой войны.
Опасаясь, что получаемые результаты могут быть использованы фашизмом для создания ядерного оружия, Л. Сциллард и предложил засекретить работы по урановой проблеме.
В Советском Союзе урановая проблема последний раз открыто обсуждалась в Москве в ноябре 1940 года на Всесоюзном совещании по физике атомного ядра.
И. Курчатов и Ю. Харитон выступили тогда с обстоятельными докладами об условиях осуществления цепной реакции.
После этого общение физиков СССР, США и других стран прервалось. Возобновилось оно только в послевоенные годы.
Что же касается количества нейтронов, вылетающих при делении урана, то их оказалось достаточно. Первые эксперименты, проведенные группой Ф. Жолио-Кюри, разрушили отчаянные надежды Л. Сцилларда на то, что ядерная реакция заглохнет. Освобождение энергии атома оказалось возможным: при делении одного ядра урана французские физики насчитали от 2,8 до 4,2 вылетающего нейтрона. Позже это число было уточнено: тщательные измерения показали, что количество освобождающихся нейтронов неодинаково в разных случаях деления и зависит от того, каким образом распалось ядро урана. При одном акте деления может быть всего один нейтрон, при другом - два, а при следующем - три.
Если подсчитать среднее число нейтронов, вылетающих при делении, то окажется, что оно равно 2,5.
Заканчивая рассказ об истории открытия деления урана, нельзя пройти мимо такого важного факта: большую часть фундаментальных открытий делали молодые ученые. В те годы Э. Ферми, И. Курчатову и Ф. ЖолиоКюри было всего по 30-35 лет. Да и ныне стало привычным, что самый большой творческий вклад в развитие науки вносят молодые исследователи. Их успех объясняется тем, что им легче выкорчевывать из своего подсознания устаревшие понятия и истины.
Открытие, сделанное в бассейне
Казалось бы, имеется все для создания установки по извлечению энергии ядра: есть уран-235, способный делиться, есть самопроизвольное деление урана, которое дает начало цепной реакции, и, наконец, для поддержания цепной реакции есть большое количество нейтронов, вылетающих при делении.
Если бы, скажем, возникло требование построить атомный реактор мощностью 500 ватт, работающий на протяжении пяти лет, то понадобился бы всего один грамм урана.
Однако нечего надеяться с помощью такого реактора вскипятить воду в чайнике (ведь 500 ватт - мощность обычной бытовой электроплитки), так как в нем не возникнет самоподдерживающейся цепной реакции.
Почему?
В какой-то момент в таком кусочке урана произойдет самопроизвольное деление хотя бы одного ядра. Допустим, при этом вылетят два нейтрона, которые, попав в еаходящиеся рядом два ядра урана, вызовут их деление... По логике вещей, должна получиться цепная реакция. Но быть уверенным в том, что два нейтрона, вылетевшие при самопроизвольном делении первого ядра, попадут в соседние ядра урана, нельзя.
Можео привести такой пример. Попробуйте, встав напротив открытого окна дома, попасть в него хотя бы теннисным мячиком. Можно с уверенностью сказать, что это сделать нетрудно. Но если, скажем, в каком-то заранее неизвестном месте будет подвешен спичечный коробок и попасть в него надо с закрытыми глазами, мячик, пожалуй, придется бросать несколько тысяч раз.