ОТКРЫТИЕ атомной энергии и практических способов ее получения и использования - величайшее научное достижение нашего времени. В подготовке этого открытия большую роль сыграла русская и советская наука, и прежде всего научный подвиг Д. И. Менделеева, установившего наличие в природе периодического закона химических элементов и создавшего знаменитую периодическую систему элементов. Обнаружив внутреннюю закономерную связь между различными видами атомов, гениальный русский химик дал тем самым теоретическую основу для изысканий в области атомной физики и поставил перед будущими исследователями задачу овладения процессом превращения элементов. Нельзя не вспомнить также о значении работ А. М. Бутлерова, автора теории химического строения вещества и П. Н. Лебедева, открывшего и измерившего в 1899 году давление света. Блестящие опыты П. Н. Лебедева способствовали установлению закона взаимосвязи массы и энергии, без знания которого атомная энергетика была бы невозможна. На основе всех этих работ, а также исследований Резерфорда, Фредерика и Ирен Жолио-Кюри, Ферми и ряда других зарубежных ученых атомная физика добилась выдающихся достижений. Используя и умножая эти достижения, и опираясь на мощную социалистическую индустрию, наши ученые осуществили разработку способов производства атомной энергии в мирных целях. Такое ее использование безгранично расширяет власть человека над стихийными силами природы, открывает колоссальные перспективы роста производительных сил, технического и культурного прогресса, увеличения общественного богатства.
* * *
АТОМНАЯ энергия сосредоточена внутри атомов, представляющих собой мельчайшие частицы химических элементов и состоящих из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.
Ядро построено из протонов и нейтронов. Протоны - это ядра атомов обычного водорода. Нейтроны - частицы, не имеющие электрического заряда и обладающие массой, приблизительно равной массе протона. Идея о протонно-нейтронном строении атомных ядер была впервые выдвинута в 1932 году советским ученым Д. Д. Иваненко.
Протоны и нейтроны ядра удерживаются друг около друга особыми ядерными силами, имеющими огромную величину. Это обусловливает исключительно большую прочность атомных ядер.
При определенном числе протонов в ядре атома может быть разное число нейтронов. Атомы данного элемента, отличающиеся количеством нейтронов, называются изотопами этого элемента. В настоящее время известно несколько сот изотопов, значительная часть которых получается искусственно. У каждого химического элемента есть несколько изотопов. Так, например, водород представляет собой смесь обычного водорода (протия), ядра которого состоят из одного протона и тяжелого водорода (дейтерия), ядра которого состоят из одного протона и одного нейтрона. Кроме того, ныне во все больших размерах производят сверх; тяжелый водород (тритий), ядра которого построены из одного протона и двух нейтронов, и являются радиоактивными. В ядерной энергетике огромное значение имеют естественные изотопы урана - уран-235, и уран-238, а также искусственный изотоп - уран-233.
Самая тяжелая часть атома - ядро - заключает в себе почти всю его массу. На долю электронов приходится менее 0,05 процента массы атома. Соответственно этому распределяется в атоме и энергия, которая почти целиком сосредоточена в его ядре.
Часть энергии электронной оболочки атомов выделяется при излучении ими света и особенно в процессе химических реакций. В последнем случае молекулы одних сложных веществ превращаются в молекулы других веществ, причем осуществляется перестройка (изменение) атомных электронных оболочек благодаря переходу электронов из одних атомов в другие; ядра же атомов остаются в химических реакциях неизменными. Химические реакции, происходящие при сгорании топлива, являются и сейчас основным источником для производства необходимой человеку энергии.
Однако значительно большие количества энергии могут быть получены из атомных ядер. Для этого нужно вызывать ядерные реакции, в процессе которых происходит перестройка (изменение) самих атомных ядер протоны и нейтрону тяжелых ядер перегруппировываются в более легкие ядра либо, наоборот, эти последние соединяются в более тяжелые и сложные ядра. Энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, называется атомной, или, точнее, ядерной.
Для высвобождения атомной энергии могут быть использованы в основном реакции двух типов реакции деления (расщепления) ядер тяжелых элементов (урана, плутония) на ядра среднего веса и реакции слияния ядер очень легких элементов (например, водорода) в более тяжелые ядра. Один килограмм урана или плутония в результате ядерной реакции деления может дать около 20 миллиардов килокалорий энергии, что примерно в 3 миллиона раз превышает количество энергии, освобождаемой при сгорании килограмма лучшего каменного угля (8 тысяч килокалорий). Еще большая энергия выделяется при образовании ядра гелия из четырех ядер водорода. Синтез одного килограмма гелия из водорода позволяет получить около 160 миллиардов килокалорий.
Реакция деления ядер урана или. плутония происходит при бомбардировке их нейтронами. Нейтрон, попавший в ядро урана-235, возбуждает его, делая менее устойчивым (прочным). В итоге это ядро теряет свою сферическую форму, вытягивается, образуя перетяжку и затем делится на два ядра («осколка») среднего веса. Расщепляющееся ядро урана-235 выбрасывает несколько (от одного до трех) новых весьма быстрых нейтронов. Это приводит к тому, что при определенных условиях происходит цепная реакция деления, в которой число расщепляющихся ядер и количество выделяющейся энергии лавинообразно увеличивается. Около 80 процентов этой энергии освобождается в виде тепла.
Используя цепную реакцию деления тяжелых ядер, ученые проникли за последние годы в диаметрально противоположную область ядерных процессов, научившись осуществлять слияние ядер водорода в ядра гелия, то есть термоядерную реакцию. Синтез гелия из водорода происходит ври очень высокой температуре, измеряемой миллионами градусов. Исходным материалом при этом служат тяжелый и сверхтяжелый изотопы водорода (дейтерий и тритий). Необходимая для начала термоядерной реакции высокая температура получается с помощью кратковременной, но мощной цепной реакции деления урана или плутония.
Следует отметить, что термоядерные реакции с водородом непрерывно протекают внутри Солнца и большинства звезд, и служат основным источником энергии этих светил. В земных условиях впервые эту реакцию осуществили наши ученые, открыв тем самым новый способ получения атомной энергии. Правда, методы использования термоядерной реакции в промышленных целях пока еще не найдены. Однако над решением этой проблемы упорно трудятся деятели советской науки и техники.
Что касается цепной реакции деления тяжелых ядер, то она теперь может быть осуществлена, как в виде взрыва длительностью в 2-3 миллионных доли секунды, так и в виде медленно протекающего процесса с постепенным высвобождением атомной энергии. Регулируемая по воле человека ядерная реакция происходит в так называемых атомных или ядерных реакторах («котлах»), которые и используются для производства атомной энергии.
Наиболее распространенными являются урановые реакторы; Устройство их сводится к следующему. Урановые стержни вставляются в специальные каналы в толще графита. Графит применяется для того, чтобы замедлить нейтроны, образующиеся в ходе цепной реакции и тем самым повысить их способность вызывать деление ядер урана-235. Иногда в качестве замедлителя применяют тяжелую воду, молекулы которой включают в себя вместо атомов обычного водорода атомы дейтерия. При любом варианте так называемого гетерогенного реактора урановые стержни помещаются в металлические трубы, которые, в свою очередь, вставлены в трубы большего диаметра. Между внешней и внутренней трубами насосом прогоняется охладитель в виде газа (гелия, водорода, этана), воды или расплавленного металла (натрий, свинец), который отбирает выделяющееся в реакторе тепло и уносит его в теплообменник. В гомогенных «котлах» уран-235 (или другое ядерное горючее) растворен в замедлителе или смешан с ним. Температура в реакторе поддерживается на уровне 250-600 градусов.
Урановые стержни и замедлитель окружаются отражателем, возвращающим значительную часть движущихся наружу нейтронов обратно в реактор. Для защиты обслуживающего персонала от потока нейтронов и радиоактивных лучей весь «котел» ограждается защитными слоями из свинца, кадмия и бетона.
Управление скоростью течения реакции осуществляется при помощи специальных стержней из веществ (кадмий или бористая сталь), сильно поглощающих нейтроны. Путем автоматического вдвигания этих стержней внутрь реактора можно изменять число нейтронов, производящих деление ядер урана и тем самым ускорять или замедлять реакцию и даже полностью прекращать ее.
Одним из важнейших применений ядерного реактора является его использование на атомных электростанциях, где он играет роль, как бы топки парового Котла обычных тепловых станций. Теплота, отводимая из реактора в теплообменник, идет здесь на получение пара при давлении 10-15 атмосфер, который приводит в движение паровую турбину - вращающую ротор электрического генератора.
Атомные электростанции имеют ряд особенностей. Они не нуждаются в воздухе, не дают золы и дыма. Расход ядерного горючего, необходимого для их работы, незначителен. Так, реактор атомной электростанции с электрической мощностью, примерно равной мощности Днепрогэса, будет расходовать всего около 1,5 килограмма урана в сутки при коэффициенте полезного действия станции в целом около 25 процентов.
«Котлы» атомных электростанций могут быть использованы для производства искусственных ядерных горючих плутония-239, и урана-233, которые в отношении реакции деления обладают примерно теми же свойствами, что и природный уран-235.
Стоимость энергии, вырабатываемой атомными электростанциями при одновременном получении в реакторе ядерного горючего, будет ниже, чем на обычных тепловых электростанциях.
Советская наука успешно решает проблемы внедрения атомной энергии в народное хозяйство. Наши ученые и инженеры, преодолев многочисленные трудности, создали первую в мире атомную электростанцию мощностью в 5 тысяч киловатт и проектируют еще более крупные промышленные атомные электростанции мощностью в 50-100 тысяч киловатт.
* * *
НАУЧНАЯ мысль упорно добивается выполнения исключительно важной задачи непосредственного преобразования атомной энергии в электрическую. Одним из путей здесь является возможное использование радиоактивных изотопов для создания атомных электрических элементов. Атомный реактор оказывается в этом случае излишним.
Устройство подобного элемента можно представить себе следующим образом. Внутрь металлического корпуса вводится электрод, покрытый тонким слоем, какого-либо радиоактивного изотопа. Воздух из этого устройства выкачивается. Если изотоп испускает, например, альфа-частицы (то есть ядра гелия), то внутренний электрод, теряя положительный заряд, будет заряжаться отрицательно, а внешний электрод (корпус) - положительно. Расчет показывает, что при идеальной электрической изоляции напряжение между электродами может достичь нескольких миллионов вольт. Сила тока, даваемого одним таким элементом, будет очень мала (порядка стомиллионных долей ампера). Но так, как она пропорциональна количеству изотопа, то можно, увеличив это количество и соединив несколько элементов параллельно в батарею, получить значительно больший ток.
Высоковольтные атомные батареи, видимо, найдут применение для питания маломощных высоковольтных цепей в различной радиотехнической аппаратуре, где для этой цели пока используют довольно сложные и громоздкие установки.
Интересно отметить, что атомная электрическая батарея сможет действовать без зарядки (без смены радиоактивного изотопа) длительное время, Измеряемое в некоторых случаях десятками лет.
* * *
ВЕСЬМА перспективно применение атомного «котла» для создания двигателя, совершающего механическую работу. Тепло, выделяемое реактором, может быть использовано для получения пара шли газа высокого давления, вращающего рабочее колесо турбины. Последняя и будет осуществлять нужную механическую работу.
Если бы мы имели ядерное горючее в виде газа, чтобы при практически возможном сжатии оно приобретало плотность, обеспечивающую возникновение ядерной реакции деления, то это открыло бы возможность конструирования атомного двигателя по типу обычного двигателя внутреннего сгорания. Реактор такого двигателя, очевидно, представлял бы собой нечто вроде цилиндра с поршнем, заполненного газообразным ядерным горючим. При движении поршня, как только сжатие превзойдет некоторое критическое значение, возникнет ценная реакция деления. В результате давление под поршнем резко возрастет, что заставит поршень двигаться в обратном направлении. В тот момент, когда объем расширяющегося газа станет больше, какой-то определенной величины, цепная реакция прекратится, после чего весь процесс может повториться сначала.
Одним из основных преимуществ атомного двигателя перед двигателями, работающими на обычном топливе (уголь, нефть, бензин), явится чрезвычайно малый расход горючего. Так, например, если при пробеге автомашины «Победа» на 100 тысяч километров необходимо израсходовать около 10-11 тонн бензина, то для атомного двигателя той же мощности и при том же пробеге потребовалось бы всего лишь несколько граммов урана. Другое его преимущество заключается в том, что он не требует для своей работы воздуха. Эти особенности атомного двигателя сделают его применение целесообразным в первую очередь на таких видах транспорта, где важно обеспечить большую скорость и дальность движения при наименьшем весе горючего. Сюда относятся самолеты, подводные корабли, ракеты для межпланетных полетов.
В самом деле. При коэффициенте полезного действия атомного авиационного двигателя в 20 процентов расходоваться ядерного горючего будет всего лишь около одного грамма на 6 тысяч лошадиных сил в час, это значит, что вес горючего составит весьма незначительную долю веса самолета, что позволит резко повысить дальность и скорость полета.
Еще более важно это для ракет дальнего действия. Так, полет на Луну и другие небесные тела станет возможным только тогда, когда ракета будет иметь скорость, необходимую для преодоления силы земного тяготения и превышающую 11,2 километра в секунду. Ракетный -снаряд с использованием самого лучшего химического топлива может получить скорость не больше 3,3 километра в секунду. Применение же ядерного горючего обеспечит достижение гораздо больших скоростей. Можно, например, использовать тепло, выделяющееся при распаде атомных ядер, для нагрева водорода до 5-6 тысяч градусов. Это даст скорость ракете в 11-12 километров в секунду, или несколько десятков тысяч километров в час.
* * *
ГОВОРЯ об использовании атомной энергии, нельзя не упомянуть о многочисленных применениях в народном хозяйстве радиоактивных веществ. В реакторе в виде «осколков» деления ядер урана получается большое количество радиоактивных атомов химических элементов средней части периодической системы Менделеева. Эти атомы в последующем самопроизвольно распадаются, испуская невидимые глазу альфа-, бета и гамма-лучи. Если в защитной оболочке реактора сделать канал и помещать в него различные вещества, то в результате бомбардировки нейтронами многие из них также становятся радиоактивны ми. Атомы таких веществ называют мечеными атомами, ибо они всегда могут быть обнаружены благодаря своему излучению. По мере увеличения производства радиоактивных изотопов меченые атомы находят все более широкое распространение. С их помощью изучают и контролируют многие производственные, биологические, физиологические и другие процессы, значительная часть которых была до сих пор малодоступной или недоступной для исследования.
* * *
КОЛИЧЕСТВО атомной энергии, содержащейся в природных запасах радиоактивных веществ, во много раз превосходит энергетические ресурсы угля, нефти, газа и других химических топлив. Однако пока в качестве ядерного горючего для промышленных целей используются только уран-235, плутоний-239, получаемый из урана-238, и уран-233, производимый из тория-232. Вот почему ученые упорно работают над увеличением числа веществ, пригодных для высвобождения атомной энергии и над усовершенствованием методов ее выделения и использования. На этом пути предстоит преодолеть многие трудности и решить ряд сложнейших научных и технических задач. И все же имеющиеся уже успехи не оставляют сомнений в том, что эти задачи будут решены.
В то время, как в СССР ведутся работы по применению атомной энергии в промышленных целях, империалистические круги капиталистических стран видят в ней лишь средство агрессии против других народов. Советские ученые, как и передовые ученые всего мира, требуют, чтобы новые открытия в области атомной физики использовались только для блага человечества. Вместе со всеми миролюбивыми силами, возглавляемыми Советским Союзом, они выступают за запрещение атомного и других видов оружия массового уничтожения.
