«Без ядерной энергетики говорить
о мировом энергетическом балансе
невозможно»
В. В. Путин, Президент РФ
  • Слайд 1
  • Слайд 3
  • Слайд 2
  • Слайд 4
Экология и атомная энергетика

Человек и энергия

Жизнь и деятельность человека — это непрерывная цепь действий, на каждое из которых требуется определенная энергия. Говорят, что физический объект обладает энергией, если он способен выполнять работу, то есть, например, осуществлять перемещение против сил сопротивления. Для работы нужна сила, значит, необходимо взаимодействие. Для работы требуется изменение положения самого тела или его частей (может быть, микроскопических) в пространстве и времени. Работа совершается, когда есть запас энергии. Но энергия может и просто превращаться из одного вида в другой. Всем известен классический опыт Джоуля, когда было показано, что затраченное количество работы (скажем, вращение тяжелого вала) переходит в такое же количество тепловой энергии (нагреваются металлические стружки, о которые трется вал).

Вся история развития цивилизации, если обращать внимание именно на физическую, материальную сторону вопроса — это поиск, завоевание (приобретение) и использование все новых, более эффективных источников энергии. В качестве таковых долгие века и тысячелетия человечеством было принято считать самих же людей наравне с одомашненными животными — быками, лошадьми, слонами. Затраты на поддержание работоспособности таких «источников энергии и работы» сводились, главным образом, к недорогому питанию. Химические процессы внутри организма, происходящие при разложении пищи, и были, на самом деле, источниками энергии, поддерживающими возможность движения. Конечно, «источники» приходилось еще и охранять, чтобы не сбежали, или усмирять, чтобы не взбунтовались. Такие источники работали не очень долго, зато были недороги и легко заменяемы. Вот если источник энергии обладал какими-то особенными возможностями или способностями, по сравнению с другими, тогда он ценился выше и, соответственно, для его функционирования создавались более комфортные условия. Например, раб, умеющий писать или считать, редок, дорог и требует более бережного отношения и улучшенного питания.

Впрочем, мы отклоняемся в сторону. Поскольку со временем знания о природе накапливались, углублялось понимание физических процессов, у человека появилась возможность привлечь для выполнения механической работы сами силы природы. Мельничное колесо вращала сила (точнее, энергия движения) падающей воды или ветра. Экипаж или повозку не обязательно должна была тянуть лошадь, это могла делать и сила пара, заключенного в цилиндр, поставленный на колеса. Конечно, чтобы создать огромное количество хитрых механизмов, выполняющих вместо живых существ разнообразную работу — а именно это позволяет человеку расширять сферу своей деятельности на Земле, — пришлось людям немало потрудиться и головой, и руками. Научившись использовать силу огня, человек понял, что увеличил свои возможности. Но разве на этом исчерпались способности природы помогать человеку в добыче энергии? Человек очень многое узнал о свойствах и возможностях химических элементов, природных веществ и процессов. Применяя эти знания совместно с талантом к изобретению новых комбинаций известных предметов, человек научился извлекать из материи запасенную в ней способность осуществлять движение. То есть, энергию.

Но ведь не только химическими процессами исчерпываются возможности природы? Разве только такая цепочка превращений возможна: природный минерал (уголь, нефть, газ), потом процесс окисления на воздухе (горение, если процесс очень быстрый — это взрыв), при этом энергия химических связей (на самом деле, это энергия электромагнитного взаимодействия заряженных микрочастиц — электронов и протонов или ионов) переходит в тепловую (например, вода закипает и становится паром), затем тепловая энергия переходит в механическую (давление пара двигает поршень)? Неужели только в реакциях на молекулярном уровне возможно выделение энергии в какой-либо форме — тепловой или электромагнитной? А как же радиоактивное излучение, разве это не поток энергии, идущий непосредственно с атомного уровня строения материи?

Пьер Кюри поместил трубку с радием в массивный теплоизолированный сосуд с водой — калориметр, — чтобы оценить количество энергии, выделяемой при радиоактивном распаде вещества. Вода поглощала практически все ионизирующие излучения, в результате чего ее температура повышалась. По степени нагревания было установлено, что один атом радия, превращаясь после распада в радон, выделял в миллион раз больше энергии, чем можно получить при образовании молекулы воды из водорода и кислорода. А ведь эта химическая реакция известна, как одна из наиболее производительных по величине энерговыделения! 1 грамм радия за час выделял такое количество теплоты, которого достаточно для плавления 1 грамма льда. При полном же распаде 1 грамма радия выделяется энергия, равная теплу сгорания 0,5 тонны угля.

По мнению физиков, атомы всех химических элементов имеют огромные запасы энергии, но только радиоактивный распад дает возможность обнаружить эти запасы, часть которых уносится ионизирующим излучением.

Как представлялось в годы первых экспериментов, радий может бесконечно долго светиться в стеклянной трубке, нагревать ее стенки и исправно ионизировать воздух вокруг себя, заставляя спадаться листочки электроскопа.

«Радий подрывает принцип сохранения энергии» — говорил Анри Пуанкаре. Казалось, что открыт новый, неустанно и бесперебойно работающий, почти неисчерпаемый источник энергии, созданный самой природой и не требующий никакого питания. Вот, разве что присмотр за его безопасным функционированием был необходим. Впрочем, открытие естественных радиоактивных веществ, которые долгие годы способны испускать небольшие порции внутриядерной энергии, по выражению одного ученого-атомщика, было похоже на приобретение вечной свечи. Химические реакции, с точки зрения получения энергии, тогда выглядели намного более обещающими – например, реакции горения были самоподдерживающимися, в них участвовала сразу большая масса вещества, а ядерные реакции расщепления были всего лишь изредка вспыхивающими искорками. Да, по сравнению с молекулами, ядра атомов обладают намного большей энергией, но расстаются с ней лишь те ядра, которые испытывают радиоактивный распад. Такова была ситуация до тех пор, пока не было открыто самопроизвольное, а затем и вынужденное деление ядер.

Именно в эту эпоху революционных открытий в теории микромира, в этот период надежд и уверенности во всемогуществе человеческого ума один из самых знаменитых исследователей ядерных свойств материи Фредерик Жолио-Кюри говорил: «Если заглянем в прошлое и охватим взором прогресс науки, который происходит все более нарастающими темпами, мы получим право думать, что исследователи, которые создают или разрушают элементы по своему желанию, сумеют добиться превращений, имеющих характер взрыва, добиться настоящих цепных реакций. Если мы сможем осуществить подобные превращения, то удастся высвободить огромное количество энергии, которую можно будет использовать».

Что же это такое — цепные реакции деления? История начинается с того, как Энрико Ферми, физик-теоретик, работающий в Римском университете, начал с коллегами ряд экспериментов по облучению тяжелых ядер нейтронами. Идея была простой: нейтрон захватывается ядром, переполненным нейтронами и протонами, после чего один из «лишних» нейтронов испытывает бета-распад, т.е. испускает нейтрон и становится протоном. А это значит, что материнское облученное ядро становится уже ядром другого химического элемента с зарядом на единицу больше. Так предполагалось расширить периодическую таблицу.

Нужное оборудование состояло из источника нейтронов и урановой мишени, помещенных в ящик со свинцовыми стенками, обложенными парафином, для защиты экспериментаторов от облучения. В ходе опытов выяснилась странная вещь: нейтроны поглощались мишенью совершенно по-разному в разных местах ящика!

Предположение, сделанное Энрико Ферми, подтвердил простой опыт, проделанный его сотрудниками прямо в воде ближайшего фонтана. Поместив в воду источник нейтронов и мишень из урана, физики обнаружили, что нейтроны, замедленные водой, гораздо интенсивнее поглощались ураном. Дело в том, что вылетающие из источника быстрые нейтроны, сталкиваясь с атомами водорода, сильно тормозятся, их скорости становятся сравнимыми со скоростями движений молекул воды (такие нейтроны называют тепловыми). Медленные же нейтроны поглощаются ураном с намного большим «аппетитом», чем быстрые. То же происходило и в ящике — в этом случае замедлителем нейтронов служил парафин. В конце концов, был обнаружен новый трансурановый элемент. Как и предполагал Ферми, U-238 , захватывая нейтрон, становился изотопом U-239, который после бета-распада нейтрона превращался уже в новый элемент нептуний Np-239.

Эксперименты с тепловыми нейтронами проводились и группой Жолио-Кюри. В 1938 году Ирен Жолио-Кюри вместе с П.Савичем обнаружили, что ядра изотопа урана, поглощая нейтроны, способны делиться на две примерно равные части: одно тяжелое ядро урана разваливалось на ядро лантана и ядро бария. При таком делении ядра высвобождалась значительная энергия — около 200 МэВ. Окончательно в механизме деления разобрались немецкие ученые О.Ган, Ф.Штрассман и Л.Мейтнер в 1939 году, построив после серии экспериментов первую теоретическую модель процесса деления. Более детальное теоретическое описание деления ядра было дано Бором и Уилером. Они исходили из сходства ядра с каплей несжимаемой жидкости, при этом основной причиной деления служило резкое усиление деформации «ядерной капли» при поглощении ею нейтрона. Капля приобретала продолговатую форму, электростатические силы разрывали ее пополам, несмотря на силы межнуклонного притяжения. Было также предсказано, что ядро может, в принципе, развалиться и само по себе, без попадания в него дополнительного нейтрона. Достаточно в ядре сложиться определенной конфигурации движущихся нейтронов (вероятность таких конфигураций невелика, но и не равна нулю), как ядро распадется на две части. Предсказание теоретиков сбылось: в Советском Союзе Г.Флеровым и К.Петржаком было открыто спонтанное (самопроизвольное) деление ядер. Добавим только, что аналогия ядра с каплей жидкости оказалась, конечно, далеко не полной и теорию пришлось много раз совершенствовать. Ведь капельная модель описывает только некоторые усредненные свойства ядер, процесс же деления зависит и от внутренней структуры, и от состояния отдельных нуклонов и их групп (кластеров) внутри ядра.

С тех пор очень многое прояснилось в структуре ядра, создано много теоретических моделей (например, оболочечная модель, учитывающая распределение нуклонов по энергетическим уровням в ядре) для описания особенностей различных ядер. Но атомное ядро — чрезвычайно сложная система, огромный коллектив взаимодействующих микрочастиц, разобраться в хитросплетениях их взаимоотношений весьма непросто. Так что далеко не все загадки из жизни ядер уже разгаданы. Хотя все самое важное известно, и человек уже научился надежно управлять поведением ядер, их превращениями, сумел теоретически описать и экспериментально доказать возможность создания ядерного источника энергии. Только, как и в давние-давние времена, за источником энергии, выполняющим работу для нас, надо присматривать. А как же иначе?

Теперь понятно, что вероятность деления ядра, в которое попадает альфа-частица, очень мала, примерно одна миллионная. Так что даже после запуска Резерфордом небольшого (по современным масштабам так просто маленького) протонного ускорителя не могло быть и речи о практическом добывании энергии из ядерных кладовых. По словам одного физика-ядерщика, выигрыш в энергии от ядерных реакций, вызываемых ускоренными протонами, был не больше копеечного приза, полученного в тире человеком, растратившем на стрельбу всю свою зарплату. Именно поэтому в 1937 году Резерфорд говорил: «Перспектива получения энергии при искусственных процессах превращения не выглядит обещающей» и добавлял, что ученые стремятся использовать внутреннюю энергию радия только в целях познания природы.

Для осуществления деления ядер с заметным выходом энергии требовалось создать условия, в которых развилась бы цепная реакция деления — реакция, в которой частицы, вызывающие деление — например, нейтроны, сами были бы продуктами реакции. Таким образом, овладение ядерной энергией полностью определялось характером протекания реакции деления. Вот, скажем, чем хороша — с точки зрения получения энергии — привычная реакция горения? Тем, что в ней участвует одновременно огромное число молекул. Энергия, выделяемая при распаде одной молекулы, многократно увеличивается. Нельзя ли этого добиться в ядерной реакции?

Деление каждого ядра урана сопровождается высвобождением нескольких вторичных нейтронов. Если бы эти нейтроны могли вызывать деление следующих ядер урана, то в реакцию вовлекалась бы большая масса вещества. Конечно, только часть общего числа вторичных нейтронов может быть задействована для продолжения реакции деления, это значит, что на один нейтрон первого поколения, вызвавший деление, придется в среднем К штук нейтронов второго поколения. Если число К (называемое коэффициентом размножения) больше единицы, то число нейтронов от акта к акту будет возрастать и в реакцию деления будет вовлекаться все большее число ядер.

Возможна ли цепная реакция деления прямо в куске природного урана? Теперь мы знаем, что ядра урана с большой вероятностью поглощают только медленно движущиеся, тепловые нейтроны. Но это так для изотопа U-235, которого в природе совсем немного — его скорость радиоактивного распада такова, что он уже успел почти распасться. Гораздо больше на планете запасов U-238 (соотношение запасов, примерно таково — 99,3% U-238 и около 0,7% U-235 ), а этот изотоп эффективно делится только под действием быстрых нейтронов . Вероятность же деления такими нейтронами изотопа U-235 действительно очень невелика — раз в 100 меньше, чем медленными.

При делении природных ядер U-235 или U-238 быстрыми нейтронами коэффициент К оказывается больше 2,5. Казалось бы, возможна быстрая цепная реакция деления и больших масс урана вообще не может существовать — они все давно бы распались, вплоть до взрыва, в реакциях деления. Однако все это не так. Число нейтронов, способных осуществлять и делать нарастающим процесс деления, быстро уменьшается: ядра U-238 захватывают нейтроны и превращаются в ядра U-239 (вспомните эксперименты Ферми с облучением урана нейтронами). Кроме того, нейтроны быстро теряют энергию в процессах рассеяния на ядрах урана и, замедляясь, уже не могут привести к делению изотопа U-238 .

Расчеты показали, что для осуществления цепных реакций деления коэффициент размножения должен быть больше 2,5. В экспериментах, проведенных Ф.Жолио-Кюри и Г.Альбаном, было установлено, что при делении урана испускается в среднем около 3 вторичных нейтронов. Теперь управляемые цепные реакции стали реальны. Труд ученых становился движущей силой научного и технического прогресса цивилизации, Один из пионеров атомной физики Ф.Содди писал в то время: «эти открытия показали, что суровая борьба за существование, за истощенные источники природной энергии, которую вело человечество до сих пор, вовсе не является единственным и неизбежным уделом человека. Ничто не мешает нам думать, что наступит день, когда мы сможем использовать для наших нужд первичные источники энергии, которые природа ревностно хранит для будущего».