Энрико Ферми. Так была открыта первая страница в истории использования ядерной энергии.
Почему взрывается атомная бомба?
Как распорядиться той колоссальной энергией, которая скрывается внутри атомных ядер? К сожалению, первое применение она нашла в оружии чудовищной разрушительной силы — атомной бомбе. Невероятные усилия ученых, направленные на познание строения вещества, были использованы так, что многие из них впоследствии стали активными борцами за запрещение этого оружия.
И все же, в чем суть этого изобретения? Очищенное и сконцентрированное ядерное горючее, например, уран, размещают «дольками» в снаряде. Сам по себе этот уран распадается очень долго. Но когда при попадании бомбы в цель срабатывает детонатор «обычного» взрыва, его мощное давление сдвигает «дольки» вместе. Образуется так называемая критическая масса урана, в которой реакция деления ядер невероятно убыстряется. Ее еще именуют цепной реакцией. Внутриядерной энергии выделяется так много, что она и создает взрыв чудовищной силы.
Впервые такое оружие было применено американцами 6 августа 1945 года, когда на японские города Хиросиму и Нагасаки были сброшены две бомбы, начиненные ядерной взрывчаткой. Многие годы после этого самые крупные страны мира производили подобное оружие в огромных масштабах. Эра ядерного противостояния недавно, можно надеяться, завершилась. Правда, опасность распространения этого оружия существует, поэтому здравомыслящие люди, в том числе и ученые, пытаются найти способы полного его запрета.
Как работает мирный атом?
Создание ядерного реактора показало ученым и конструкторам, как можно «приручить» энергию, заключенную в самых глубинах вещества. Реакция деления тяжелых радиоактивных ядер может быть неуправляемой, когда вся энергия выделяется одновременно, взрывообразно. Это и происходит в атомной бомбе. Но можно и регулировать испускание этой энергии, отбирая ее у ядерного топлива постепенно, небольшими порциями.
Игорь Васильевич Курчатов (1903–1960) — российский физик. Внес заметный вклад в изучение электрических свойств кристаллов, провел ряд исследований по физике полупроводников. Занимался ядерной физикой, проблемой деления тяжелых ядер. Возглавил работы по овладению ядерной энергией. Под его руководством был запущен первый советский уран-графитовый реактор, создавались советские атомная и водородная бомбы, была введена первая в мире атомная электростанция. Начинал исследовать проблему управляемого термоядерного синтеза.
Так и поступают, загружая, например, уран в ядерный реактор. Выделение энергии происходит в таком режиме, когда можно в любой момент «заглушить» ядерную реакцию. Для этого в котел с топливом быстро погружают стержни из специального материала, способные поглотить частицы, вызывающие реакцию.
Первая атомная электростанция (АЭС), основой которой являлся реактор, была запущена в 1954 году в нашей стране. Выделяемое при распаде ядер тепло нагревало пар, вращающий турбину, соединенную с генератором электрического тока. Хотя станция была небольшой мощности, но уже продемонстрировала преимущества ядерной энергетики. Затем и в нашей и в других странах стали строить реакторы все большей мощности и усовершенствованных конструкций. Доля электроэнергии, производимой сегодня в мире на АЭС, достигает заметной величины. Скажем, во Франции она составляет около 70 процентов всей вырабатываемой энергии.
Один килограмм ядерного топлива заменяет миллионы килограммов обычного. В то время, когда истощаются такие природные ресурсы, как нефть, уголь и газ, ядерная энергетика становится существенным подспорьем для человека. Кроме энергетических станций, ядерные реакторы используют в двигателях ледоколов, подводных лодок, ставят на искусственные спутники Земли.
Однако бурное развитие ядерной энергетики «притормозил ось» после нескольких крупных аварий с подводными лодками и на АЭС. Эти случаи лишний раз показали, насколько надо быть осторожными при работе со сложнейшими изобретениями.
Почему светит солнце?
Действительно, каков источник энергии нашего родного светила? Идут год за годом, столетия за столетиями, миллионы лет за миллионами, а оно все светит да светит.
Ученые довольно давно сделали любопытные расчеты. Из них следовало, что если бы Солнце состояло из любого известного топлива, скажем, угля, то оно при такой активной светимости очень быстро выгорело бы. Долгое время источник энергии Солнца оставался загадочным.
Изучение ядерных реакций привело к выводу, что энергия из глубин вещества может выделяться не только при делении тяжелых ядер. Есть и другой, как бы встречный, путь. Если соединить друг с другом ядра очень легких атомов, например, водорода, то они, образуя новое, более тяжелое ядро, также высвободят энергию. Эти реакции объединения легких элементов получили название термоядерных, или реакций синтеза.
Чтобы такая реакция пошла, легким положительно заряженным ядрам необходимо подойти на очень близкое расстояние. Только тогда вступают в действие мощные ядерные силы, которые позволят этим ядрам слиться в одно, новое. Но попробуйте сблизить два положительных заряда! Закон электрического взаимодействия подскажет, что чем они ближе, тем сильнее должны отталкиваться. Как же быть?
На Солнце и на звездах природа справилась с этой задачей. Давление и температура внутри них настолько велики, что «голенькие», без электронов, ядра легких элементов часто и с большой силой сталкиваются друг с другом. В таких условиях и создаются возможности для слияния ядер, ведущего к выделению огромной энергии.
Вот эту энергию мы и получаем на земле от Солнца в виде излучения. От далеких звезд оно, естественно, приходит к нам, значительно ослабев. Правда, надо сказать, что это объяснение светимости звезд наталкивается на некоторые трудности… Над их «устранением» сейчас ломают голову ученые.
Удастся ли укротить «термояд»?
А можно ли зажечь Солнце на Земле? Как бы перенести к нам кусочек раскаленного до миллионов градусов шара? Увы, эта задача пока оказалась человеку не «по зубам». Вернее, изобрести оружие с использованием мощи реакций, подобных идущим на Солнце, он смог. Однако это «дьявольское» изобретение, разрушительнее которого мы не знаем, неуправляемо. То есть можно «запустить» термоядерную реакцию, но только в бомбе, только взрывом. А вот «держать ее на поводке» никак не удается.
«Укротить» термояд пробуют не один десяток лет. Не раз казалось, что вот-вот — и задача уже решена. Даже планировали, в какие сроки будет построена электростанция с применением управляемого термоядерного синтеза. Можно понять, почему так заманчива была это проблема для исследователей и инженеров. Ведь ее решение обеспечило бы нам практически неисчерпаемый источник энергии. «Горючего» для термояда — легких элементов — вроде бы полным-полно.
Андрей Дмитриевич Сахаров (1921–1989) — российский физик. Один из авторов идеи о получении управляемой термоядерной реакции, внес огромный вклад в создание водородной бомбы. Занимался ядерной физикой и проблемами элементарных частиц, связал процессы в ранней Вселенной с кварковой структурой материи. Предсказал нестабильность протона. Активно противодействовал накоплению ядерного оружия на планете.
Надо сказать, что на пути овладения термоядом были сделаны выдающиеся открытия, созданы уникальные физические установки, множество изобретений оказалось полезным для самых различных наших нужд. Однако главная задача до сих пор решению не поддается, и сейчас трудно сказать, когда же эти работы завершатся.
Соблазн поймать термояд «за хвост» был так велик, что несколько лет назад весь научный мир всколыхнула сенсация. Некоторые ученые заявили, что обнаружили реакцию синтеза при низких температурах. Многочисленные опыты и проверки этого не подтвердили. Говорить можно было о любопытном явлении, но никаких «кладовых энергии» за ним не скрывалось.
Что ж, в науке бывает и такое. Ее история богата не только достижениями, но и ошибочными идеями и мистификациями. Главное — суметь отделить одно от другого и не упустить странного, на первый взгляд, но верного предположения.
Масса — это энергия?
Как может концентрироваться невероятно большая энергия в ничтожно маленьких частичках вещества? По всей видимости, эта энергия не похожа на энергию движущегося автомобиля или ракеты, горящего топлива и на энергию просто горячего тела.
Когда физики научились делать тончайшие измерения, они смогли буквально «взвесить» и отдельный атом, и даже входящие в его состав частички. Выяснилось, что если подобным образом измерить массу вступающих в ядерную реакцию частиц и сравнить с массой того, что оказалось в результате реакции, то получается…
Вот тут ученых ждало еще одно поразительное открытие. Измеренные «до» и «после» массы были не равны. Куда же подевалась разница? А давайте лучше спросим себя, откуда взялась выделяемая в реакции энергия? Удивительно, но эти два вопроса говорят об одном и том же. Надо только сделать шаг: «убыль» массы связать с «прибылью» энергии.
Этот смелый шаг был совершен как бы заранее, до всяких измерений. И сделал его в начале нашего века великий ученый Альберт Эйнштейн при создании им так называемой теории относительности. Мы позволим себе записать формулу, заключающую мысль о связи массы и энергии, в таком, словесном виде:
Пусть сейчас эта фраза звучит для вас, как китайская грамота, не страшно. Вам с ней обязательно и не раз придется еще столкнуться. Это одна из самых главных идей в физике, да и не только в ней, а вообще в науке.
Возможность преобразования массы в энергию и наоборот, как говорят ученые, их эквивалентность, равнозначность — один из краеугольных камней современного взгляда на природу. Поэтому теория относительности наряду с квантовой теорией, — база современной физики.