Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы
Шрифт:
В современных атомных реакторах в качестве топлива используются изотопы урана и плутония. Ядра урана или плутония при взаимодействии с нейтронами делятся чаще всего на два осколка и испускают при этом 2–3 нейтрона. Осколки обладают огромной кинетической энергией в десятки тысяч электрон-вольт и, тормозя свое движение в топливном материале, нагревают его. Теплотворная способность ядерного топлива в миллионы раз выше органического топлива: при распаде одного грамма урана может образоваться столько же тепла, сколько при сгорании почти трех тонн угля. Это тепло поглощается теплоносителем, чаще всего жидким натрием, циркулирующим по первому тепловому контуру, а он греет второй контур, водяной, перегретый пар из которого подается на турбины электрогенераторов.
Помимо таких реакторов на медленных нейтронах, строятся реакторы на быстрых нейтронах (БР). У них нет замедлителей, и поэтому размер активной зоны, в которой происходит деление, у них меньше, чем у тепловых, а вокруг активной зоны размещается зона воспроизводства из урана-238. Процесс начинается с деления урана-235 или плутония-239 в активной зоне и испускания в среднем немногим более двух нейтронов (у плутония эта величина выше, чем у урана) на одно ядро. Один из них идет на деление нового ядра урана-235 и поддержания цепной реакции с выделением новых нейтронов, другой захватывается ядрами урана-238. Получившееся ядро изотопа урана-239 испускает электрон, превращаясь в ядро нептуния-239, ядро которого также испускает электрон и превращается в плутоний-239. Таким образом, в процессе работы БР происходит не только генерация тепловой энергии, но и воспроизводство плутония-239. Поэтому БР еще называют бридером (от английского «брид» — размножать).
Великий день настал 2 декабря 1942 г. Реактор окружили счетчиками нейтронов, которые должны были зафиксировать начало и величину их потоков. На верхушку пирамиды забрался Сэмюэл К. Аллисон (1900–1965) с ведром жидкого кадмия, который он должен был лить в реактор, если реакция выйдет из-под контроля, и стержни поглотителя стали осторожно вытягивать: нейтроны сразу же пошли, расчеты оказались верными!
«Было ясно, — писал впоследствии Джон Кокрофт, — что Ферми открыл дверь в атомный век». Так началась ядерная эра!
Уже позже было проверено, сколько тепла выделяется при этой реакции, и т. д. Но, пожалуй, самое главное было в ином: в процессе работы реактора некоторые атомы урана переходят после ряда промежуточных реакций в атомы плутония, элемента за номером 94. Плутоний, как позже выяснилось, не менее урана-235 подходит для создания оружия, но так как химически он все же более отличен от обычного урана, то его много проще выделять уже из отработанного, т. е. лишенного урана-235, ядерного горючего.
Таким образом, ядерные реакторы не только дают тепло, на котором могут работать электростанции, но одновременно производят и новые радиоактивные вещества, в том числе так называемый оружейный плутоний — меньше на обычных реакторах, больше на бридерах. (Именно поэтому, подчеркнем, так опасно строить реакторы в политически нестабильных регионах.)
Бурное развитие ядерной энергетики породило несколько новых проблем. Первой из них, вероятно, нужно назвать вопросы обеспечения безопасности населения в случае аварий реакторов — особенно после страшных событий в Чернобыле в 1986 г. Вторая трудность в том, все реакторы имеют конечный эксплуатационный период — что делать с ними по окончании такого периода? (Эта проблема близка к проблеме утилизации ядерных отходов в процессе обслуживания реакторов.) Наконец, нужно максимально обезопасить реакторы от возможных налетов террористов.
Представляется, что все три проблемы решает, в оптимальной на сегодня форме, предложение А. Д. Сахарова: реакторы нужно строить в глубоких соляных пластах. Само существование таких слоев означает, что через эти пласты очень и очень давно не проходят подземные воды, а потому нет опасности выноса активных веществ на поверхность, при необходимости же захоронения реактора его можно просто оставить в этом слое и только закрыть сверху. Что же касается реактора в Чернобыле, то, по мнению Сахарова, его следовало направленными взрывами погрузить вглубь Земли…
После успешного запуска первого реактора вопрос создания ядерного оружия стал в практическую плоскость. Был организован так называемый Манхэттенский проект. Его возглавил 46-летний полковник Лесли Р. Гровс, профессиональный военный, который характеризовал ученых, работавших над созданием атомной бомбы, как «дорогостоящее сборище чокнутых». Научным руководителем проекта был назначен Роберт Оппенгеймер (1904–1967), известный американский физик-теоретик, стажировавшийся в свое время у Э. Резерфорда и М. Борна. Оппенгеймер организовал основную лабораторию вдали от населенных пунктов, в пустынном местечке Лос-Аламос (штат Нью-Мексико). Сюда перешла из Чикаго группа Ферми, а кроме того, Оппенгеймер смог собрать весь цвет эмигрантов из Европы и молодых американских физиков [31] .
31
А. Эйнштейн не был привлечен к этой работе уже потому, что его отъезд из Принстона был бы сразу замечен и интерпретирован как участие в каком-то секретном проекте. Н. Бор как-то привлекался для экспертизы, но и тут были осложнения с соблюдением секретности — слишком уж заметными были их фигуры.
Основным теоретическим отделом проекта заведовал Ганс Бете, бежавший в 1933 г. из Германии и в 1941 г., незадолго до того как США вступили во вторую мировую войну, ставший американским гражданином. Его глубокие знания в области ядерной физики, ударных волн и электромагнитной теории сыграли существенную роль в успехе программы: он отвечал за расчеты возможного поведения атомной бомбы.
Энрико Ферми впервые упомянул о возможности создания атомного оружия на основе цепной реакции еще на переговорах с Управлением военно-морского флота в 1939 г. В ходе своей работы Ферми и итальянский физик Эмилио Сегре, бывший его студент и будущий Нобелевский лауреат, установили, что в качестве «взрывчатки» для атомной бомбы можно использовать тогда еще не открытый элемент плутоний (Рu, порядковый номер 94). И хотя он еще не был получен, оба ученых были убеждены в том, что его изотоп с массовым числом 239 должен возникать в урановом реакторе при захвате нейтрона ураном-238 и затем быстро распадаться.
Настояв на свободном обмене информацией между учеными, которым строго-настрого запрещалось покидать пределы центра, Оппенгеймер создал атмосферу доверия и взаимного уважения, что способствовало удивительным успехам в работе. В этой группе было больше десятка тогдашних или будущих Нобелевских лауреатов, но большинство из них считали, что львиная доля заслуг в успехе проекта принадлежит Оппенгеймеру.
Интересно отметить тогдашние опасения, что взрыв может, в принципе, привести к глобальной цепной реакции, которая охватит всю Землю, т. е. вызовет всеобщую катастрофу. За консультацией обратились к Грегори Брейту (1899–1981), известному теоретику-ядерщику, не участвовавшему в Манхэттенском проекте. Брейт независимо пересчитал все экспериментальные данные и показал, что опасения эти необоснованны.
Поэтому в Лос-Аламосе исследования шли одновременно в двух направлениях: планировались бомбы на уране-235 и на плутонии-239. Одна из бомб, «Малыш», собиралась по такой схеме: в ней имелись два куска активного вещества, масса каждого несколько больше половины критической массы — при включении детонатора они должны стремительно сблизиться, и, как только масса достигнет критического уровня, в них должна сама собой, от любого случайного нейтрона, начаться цепная реакция. Главная опасность состояла в том, что если цепная реакция начнется преждевременно, то активное вещество расплавится и растечется, не успев взорваться.
Второй тип бомбы, названный за ее выпуклую форму «Толстяком», был сконструирован иначе: вся масса активного вещества, несколько меньшая критической, находится вместе, она окружена оболочкой из бериллия, хорошо отражающего нейтроны. Радиус оболочки много больше радиуса активной начинки и потому вылетающие из нее и отражающиеся от бериллия нейтроны обратно практически не попадают. Вокруг оболочки расположены пороховые заряды, и при их одновременном, с высокой точностью, подрыве оболочка сжимается вокруг активной части и отражает все нейтроны внутрь, что достаточно для цепной реакции. (Отметим, что КПД, если можно так выразиться, обеих конструкций очень низок: до взрыва и испарения всей конструкции успевают прореагировать много менее 1 % ядер урана. Величина критмассы «взрывчатки» нигде открыто не публиковалась, по оценке, она составляла порядка 5–7 кг.)