Чтение онлайн

Нам необходимо обсудить еще один момент. Несмотря на то что как испускание нейтронов, так и β– распад приводят к изменению ядер и в этом смысле являются ядерными процессами, обусловлены они совершенно разными типами взаимодействий. Если нейтроны испускаются за счет так называемых сильных взаимодействий и происходит это, по сути, мгновенно, то β– распад обусловлен слабым взаимодействием, и это совершенно другое характерное время процессов. Очень грубо (да простят нас физики) разделение зон ответственности различных типов взаимодействий в атоме можно представить себе так: электромагнетизм отвечает за устойчивость самого атома (ядро плюс электронная оболочка); сильные — за устойчивость ядра; слабые — за устойчивость нейтрона в ядре. На самом деле, конечно же, такого разграничения полномочий нет и все перемешано, но мы в этой статье не изучаем физику.

В производстве ядерной энергии основную нагрузку несет сильное взаимодействие, поскольку именно оно ответственно за деление ядра и освобождение основной части его энергии. Но процесс деления протекает так быстро, что время появления следующего поколения нейтронов (т. е. тех, которые будут образовываться из-за деления следующего ядра урана с испусканием тех самых 2,4 нейтрона) ограничено только временем их замедления. Мы с вами уже говорили о том, что уран-235 эффективно делится медленными нейтронами. Но время их деления все равно очень мало: за 0,01 секунды будет размножаться тысяча поколений нейтронов. Понятно, что при такой скорости нарастания мощности (поскольку каждый акт деления сопровождается выделением энергии) протекание стационарной ядерной реакции невозможно. Возможен либо режим ядерной бомбы, либо, если нейтроны во время замедления успевают поглотиться где-то в элементах конструкции реактора, цепная реакция прервется, т. е. при столь высокоскоростном процессе никакое регулирование невозможно.

Итак, если бы все нейтроны образовывались только в момент деления, то никакая ядерная энергетика была бы невозможна в принципе, а возможна только ядерная бомба. Это, к счастью, не так, и осколки деления урана также излучают нейтроны. Как мы уже знаем, эти нейтроны называются запаздывающими, поскольку они излучаются в среднем через десять секунд после акта деления, в результате которого и образовались эти осколки. Так вот, именно этому счастливому обстоятельству ядерная энергетика и обязана своим существованием. Таким образом, благодаря сильным взаимодействиям мы добываем энергию, а управляем этим процессом — благодаря слабым взаимодействиям. Десять секунд — это уже вполне достаточное время для того, чтобы иметь возможность механически регулировать интенсивность деления за счет поглощения избыточных нейтронов специальными поглотителями.

Существование запаздывающих нейтронов играет такую же определяющую роль в самом существовании ядерной энергетики,

какую природа отвела максимуму плотности воды. Хорошо известно, что максимум плотности воды приходится на плюс четыре градуса по шкале Цельсия, и именно это обстоятельство спасает реки и озера в Канаде и Сибири от зимнего промерзания до дна; в противном случае все рыбы и другие обитатели водоемов в северных широтах были бы обречены на гибель.

Теперь мы, наконец, приближаемся к своей цели, а именно к попытке понять, каким же образом могла произойти авария. В соответствии с изложенными представлениями аварийная защита (это те, поглощающие нейтроны, стержни) должна успевать входить в реакторное пространство за десять секунд, поскольку это и есть то минимальное время, за которое мощность реактора может возрасти в два с половиной раза. Причем это, так сказать, теоретический предел, реальный же интервал времени, конечно, должен быть больше.

Вполне естественно, что аварийная защита чернобыльского реактора была разработана так, чтобы за десять секунд перекрывать всю активную зону. Но в ту роковую ночь мощность реактора стала нарастать с периодом в три секунды. Поэтому аварийная защита просто не успела выполнить свои функции. Но как такое могло случиться? В чем дело?

Чтобы попытаться понять это, нам необходимо совершить еще один исторический экскурс.

Почти одновременно с открытием радиоактивности ученые начали проводить эксперименты, в которых пытались обнаружить изменение вероятности радиоактивных превращений (периодов полураспада) в зависимости от внешних условий. Радиоактивные образцы подвергали воздействию высоких и низких температур (А. Беккерель, П. Кюри, Э. Резерфорд), высоких давлений, погружали в глубокие шахты (750 м — Эльстер и Гейтель). Согласно авторитетному мнению основоположников ядерной физики (Э. Резерфорд, Дж. Чедвик, Ч. Д. Эллис, П. Кюри, М. Кюри), выходило, что вероятности ядерных процессов не зависят от внешних физико-химических условий. Это обстоятельство отражено в термине «постоянная радиоактивного распада». Развитие квантовой механики в 1930-е годы показало огромное различие атомных и ядерных масштабов размеров и энергий (примерно в миллион раз), что как будто подтверждало выводы основоположников.

Однако все это верно только на первый взгляд и характеризует положение вещей ровно настолько, насколько средняя температура всех больных в госпитале может охарактеризовать состояние конкретного пациента. Дело в том, что ядра атомов, входящих в таблицу Менделеева, имеют весьма различный «запас прочности». Подавляющее большинство из них, конечно, устойчивы, и никакие манипуляции с электронными оболочками не могут повлиять на устойчивость ядра. Но встречаются и такие атомы (например диспрозий-163), ядра которых теряют устойчивость при потере электронной оболочки. Природа устроила атомы гораздо «тоньше», чем мы привыкли думать.

Особенную чувствительность к состоянию своей атомной оболочки «проявляют» ядра, находящиеся либо близко к границе устойчивости, либо в возбужденном состоянии. Этот факт был осознан физиками далеко не сразу, а в течение нескольких десятилетий. Потребовалось кропотливое теоретическое и экспериментальное исследование природы слабых взаимодействий (мы о них уже говорили) и их тесной связи с электромагнитными взаимодействиями. Не последнюю роль в столь долгом периоде эволюции наших представлений сыграл авторитет ученых, которые были перечислены выше. Более того, значительной части физиков влияние электронной оболочки на ядерные процессы до сих пор кажется незначительным эффектом. Но это отнюдь не так. В 1996 году в ЦЕРНе команда экспериментаторов из разных стран продемонстрировала «слабость» этих эффектов. Они взяли изотоп рения-187, который в своем обычном состоянии почти стабилен: период его β– распада составляет 40 миллиардов лет. Экспериментаторы «содрали» с атома рения-187 его электронную оболочку и обнаружили, что оставшееся ядро стало распадаться с периодом в 30 лет. Итак, вероятность распада увеличилась в миллиард раз. Вот вам и «слабые» взаимодействия.

К сказанному необходимо добавить, что раз период β– распада ядра может изменяться при удалении электронов, то он должен меняться (конечно, не так сильно) и при деформации электронной оболочки. А деформировать электронную оболочку можно при помощи изменения давления, температуры, химического окружениям и помещением атома в электрическое или магнитное поле. Теперь надо вспомнить, что наиболее подвержены внешнему влиянию наименее устойчивые ядра, а нейтронно-избыточные ядра как раз и являются неустойчивыми. А значит, в случае какого-либо, к примеру электромагнитного, воздействия на реактор они должны отреагировать в первую очередь.

Давайте попробуем еще раз кратко все суммировать, с тем чтобы ясна была основная цепь рассуждений.

Осколки деления урана-235 являются нейтронно-избыточными ядрами.

Появление запаздывающих нейтронов связано со скоростью β– распада осколков деления.

Изменение внешних условий (давление, электромагнитные поля) может ускорять β– распад.

При ускорении β– распада увеличивается количество запаздывающих нейтронов, а значит, и скорость нарастания мощности реактора.

Вот мы и подошли к цели нашего утомительного путешествия. И теперь можно спросить: «А какое отношение все это имеет к Чернобыльской катастрофе?». И этот вопрос весьма закономерен. Ну что же, давайте вместе выдвинем «безумную» гипотезу: а что, если в ту ночь действительно возникли какие-то обстоятельства, приведшие к изменению скорости β– распада? Мы с вами уже знаем, что, по крайней мере, теоретически это возможно. Как уже понятно, тогда действительно защита, построенная без учета этого обстоятельства, не успеет сработать. И этот факт в рамках нашей гипотезы объясняется естественным образом, без различных «натяжек» вроде «рокового стечения маловероятных событий» (так написано в официальной версии). Но изменение скорости β– распада обязано привести к искажениям изотопных соотношений тех радионуклидов, которые образуются в качестве «ядерного шлака» при нормальной работе реактора. Эти соотношения очень точно промерены и всем хорошо известны. Наблюдались ли искажения? Да, конечно, и в первую очередь в соотношении количеств цезия-134 и цезия-137. Это соотношение промеряется особенно тщательно, поскольку с его помощью можно судить о степени «выгорания» ядерного топлива. Именно это соотношение оказалось нарушенным по сравнению с таким же соотношением, получающимся в результате штатной работы реактора такого типа. Это отметили не только советские специалисты (они-то как раз в последнюю очередь — из-за секретности), но и западные эксперты тех стран, куда атмосферные течения и ветры донесли чернобыльское радиоактивное облако. И здесь надо отметить характерную черту современной науки. Обнаружив аномалию в изотопном соотношении, специалисты тут же назвали его «Чернобыльским цезиевым соотношением» и этим — «решили» проблему. Но теперь на вопрос: «Почему это соотношение именно такое?» — вам тут же ответят: «Как, Вы разве не знаете? Это же Чернобыльское соотношение». И все, круг замкнулся, дальнейшие вопросы неуместны. Это пример типичного современного научного подхода: придумать термин и тем «закрыть» проблему.

Конечно же, изотопные искажения наблюдались и у других радионуклидов и даже у урана, но мы больше не имеем права утомлять читателя дальнейшими подробностями. Для нас достаточно того, что «безумная» гипотеза при ближайшем рассмотрении, оказывается, приводит к проверяемым предсказаниям, которые качественно соответствуют измерениям. Но не надо переоценивать роль гипотез. Чернобыльская авария — событие единичное (слава богу), и потому любое объяснение останется в статусе гипотезы. Но предложенная гипотеза гораздо более физична, чем официальная версия и, главное, допускает лабораторное моделирование. Чем, кстати, никто заниматься не хочет.