Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

2 декабря 1942 года в 15 ч 45 мин кадмиевые стержни атомного котла Ферми были вытащены на небольшое расстояние, достаточное для возникновения самоподдерживающейся реакции. Этот день, эту минуту принято считать началом «атомного века». (Даже если бы стержни вытащили целиком, коэффициент размножения нейтронов составил бы всего 1,0006 — вполне безопасный уровень.)

Вашингтону (имеется в виду правительство США. — Пер.) эту новость сообщили шифрованной телеграммой: «Итальянский мореплаватель добрался до Нового Света». Вашингтон задал вопрос: «Как вели себя аборигены?» — и тут же получил ответ: «Очень дружелюбно».

Количество атомных реакторов выросло, выросла и их производительность (по сравнению с самым первым, созданным Ферми, котлом). Сегодня ядерные реакторы есть у многих стран, применяющих их в самых различных областях.

Количество образующихся в процессе деления ядра атома урана нейтронов просто огромно. Их используют для бомбардировки различных атомов и для производства радиоизотопов в количествах, которые в других условиях получить просто невозможно. После Второй мировой войны радиоизотопы появились в достаточном количестве и по довольно низким ценам, в результате чего стали бурно развиваться технологии их применения в биохимических исследованиях, медицине и промышленности.

Ядерные реакторы также можно использовать для производства электроэнергии. Выделяемое реактором тепловое излучение может нагревать какую-либо высококипящую жидкость (например, жидкий натрий), которая, в свою очередь, будет кипятить воду, а образующийся пар — крутить турбину, генерирующую электричество.

В 1954 году США спустили на воду первую ядерную подводную лодку «Наутилус». Ее двигатели вращались за счет электроэнергии, вырабатываемой ядерным реактором, благодаря чему отпадала необходимость часто всплывать для подзарядки батарей. Так как ядерная подводная лодка может находиться под водой длительное время, врагу сложнее ее обнаружить и атаковать.

Спущенный на воду в 1959 году американский корабль «Саванна» стал первым ядерным судном. Его атомные реакторы работали на обогащенном диоксиде урана, а 21 регулирующий стержень был выполнен из поглощающего нейтроны бора.

В середине 1950-х годов были разработаны первые ядерные электростанции для мирных целей. В 1954 году Советский Союз построил небольшую ядерную электростанцию мощностью 50 000 киловатт. Англичане построили электростанцию мощностью 92 000 киловатт и назвали ее «Калдер-Холл». В 1958 году в городе Шиппингпорт (шт. Пенсильвания) начала работу первая «мирная» американская ядерная электростанция.

Главной трудностью при использовании ядерных электростанций (за исключением стоимости, которая с развитием технологии обязана снизиться) является то, что продукты деления ядра урана сами по себе являются радиоактивными.

Более того, эти продукты распада накапливаются в активной зоне урана и мешают дальнейшей работе электростанции. Некоторые из них довольно хорошо поглощают нейтроны, что приводит к прерыванию цепной реакции. Поэтому раз в три года необходимо останавливать ядерный реактор (несмотря на то, что топлива еще предостаточно) и отделять уран от отходов, образовавшихся в результате его деления.

Период полураспада некоторых продуктов деления более 20 лет, поэтому должно пройти не менее века, прежде чем уровень их радиации станет неопасным. Поэтому захоронение радиоактивных отходов нужно проводить с особой тщательностью. Концентрированные соединения заливают бетоном, помещают в стальные ящики и закапывают в землю. В настоящее время разрабатывается технология переплавки продуктов деления с силикатами для получения «стекла». В этом случае будут исключены утечки, а значит, хранить отходы в этом виде гораздо проще.

Продукты деления хранят еще какое-то количество энергии, и на их основе изготавливаются легкие атомные батареи (их еще называют системами вспомогательных ядерных источников питания, или «Снэп»). В таких батареях тепловое излучение, возникающее в результате распада радиоактивного изотопа, используется для нагревания термопары (см. ч. II) и производства электроэнергии.

Первый «Снэп» был построен в 1956 году. С тех пор появилось более десятка его разновидностей. Некоторые из них уже давно применяются для питания искусственных спутников. Батарея «Снэп» весом чуть более килограмма дает 60 Вт и работает в течение 10 лет.

Не любой радиоизотоп подходит для использования в атомной батарее. Он должен иметь период полураспада определенной длины, чтобы его тепловое излучение было не слишком интенсивным; не должен излучать опасные гамма-лучи; должен быть достаточно дешев. Всем этим требованиям удовлетворяет лишь небольшое количество радиоизотопов. Наиболее часто в атомных батареях используют стронций–90, представляющий огромную опасность для человечества (см. ниже).

Мечта о мире, где энергия деления ядер урана дополняет энергетические запасы угля и нефти, несколько омрачается тем, что уран–235 — основное ядерное топливо — встречается в природе довольно редко. Сам по себе уран не такой уж редкий элемент, однако он равномерно распределен по всей земной коре, и его залежи встречают довольно редко. Кроме того, уран–235 составляет лишь небольшой процент всех атомов урана.

К счастью, уран–235 не единственный изотоп, процесс деления ядра которого можно запустить путем бомбардировки нейтронами. Другим таким изотопом является плутоний–239. В природе он встречается редко, однако его можно получить путем нейтронной бомбардировки урана–238. В результате такой бомбардировки вначале образуется нептуний–239, а затем плутоний–239.

Работать с образовавшимся плутонием–239 легко, так как период его полураспада более 24 000 лет, то есть по человеческим меркам он существует вечно. Более того, плутоний-239 является самостоятельным элементом, а не изотопом, урана, поэтому выделить его намного проще, чем уран–235.

Во время Второй мировой войны, для того чтобы выявить возможность деления ядра плутония–239, его буквально собирали по крупицам. Для возникновения в плутоний–239 самоподдерживающейся ядерной реакции достаточно одних лишь быстрых нейтронов. Плутониевые реакторы (быстрые ядерные реакторы) не требуют применения замедлителей и поэтому более компактны по сравнению с обычными ядерными реакторами.

Плутоний–239 можно получить в качестве побочного продукта работы реактора на основе урана–235. Вылетающие из активной зоны урана–235 нейтроны можно использовать для бомбардировки оболочки из обычного урана, окружающей активную зону. Содержащийся в оболочке уран–238 преобразовывается в плутоний–239. В конце концов количество образующегося ядерного топлива превысит количество потребляемого. Такой реактор называется реактором-размножителем (бридерным реактором).

Этот реактор позволяет косвенно использовать уран–238 в качестве ядерного топлива и повышает доступные человечеству запасы ядерного топлива в сто крат.

Открытый Сиборгом и его командой в 1942 году изотоп урана–233 также можно использовать в качестве ядерного топлива. Уран–233 является дочерним изотопом нептуниевого ряда и не встречается в природе. Однако период его полураспада превышает 162 000 лет, что облегчает его использование.