Текст книги "Философия оптимизма"

Автор книги: Борис Кузнецов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 26 страниц) [доступный отрывок для чтения: 10 страниц]

Такова геометрия мира с точки зрения классической физики. Пространство сохраняет движения тел прямолинейными и равномерными, мировые линии не изгибаются без внешних воздействий ни в пространстве (сохраняется прямое направление), н: х по отношению к временной оси (сохраняется абсолютная величина скорости). Искривления мировой линии приписываются взаимодействиям. В общей теории относительности мировые линии теряют свои эвклидовы свойства, пространство-время становится неэвклидовым. Это можно представить как его искривление. Возьмем кривую поверхность. Кратчайшие линии (соответствующие прямым на плоскости) будут подчиняться иной геометрии. Достаточно напомнить, что перпендикулярные к экватору меридианы пересекаются в полюсе и что в треугольнике, образованном отрезками двух меридианов и экватора, сумма углов больше двух прямых углов. Переход от эвклидовых свойств двумерного пространства, т. е. плоскости, к неэвклидовым свойствам можно рассматривать как искривление этого двумерного пространства. Искривление трехмерного пространства и тем более четырехмерного нельзя представить себе с такой легкостью. Тем не менее Эйнштейн сделал именно это. Он отошел от ньютоновского разграничения «плоского», т. е. эвклидова, пространства и взаимодействия тел, искривляющего их пути. Поскольку тяготение искривляет мировые линии всех физических объектов, его можно рассматривать как искривление всей совокупности мировых линий, всего четырехмерного пространства-времени. Закон тяготения Эйнштейна имеет вид уравнения, в котором, с одной стороны, стоят величины, измеряющие искривление пространства-времени, а с другой – величины, показывающие распределение масс, распределение всех средоточий энергии и импульса, всего того, что искривляет пространство-время, делает его неэвклидовым, иначе говоря, служит источником полей тяготения.

На нескольких предыдущих страницах специальная и общая теория относительности изложена крайне бегло. Она изложена лишь в той степени, которая необходима, чтобы иллюстрировать главную особенность стиля физического мышления XX в. – синтез «углубления разума самого в себя» и его «движения вперед». Этот синтез и является основой гигантского интеллектуального потенциала современной науки. Современная наука после Эйнштейна и Бора не останавливается ни перед одной трансформацией самых общих и фундаментальных представлений. То, что в начале века показалось бы выходящим за любые рамки по своей парадоксальности, сейчас встречает скептическое замечание: «Эта концепция недостаточно безумна, чтобы быть справедливой». Но этого мало. Самые смелые и парадоксальные предложения о смене фундаментальных принципов комментируются со стороны возможной экспериментальной проверки, возможного «внешнего оправдания», возможного накопления однозначных экспериментально проверенных констатаций, т. е. «продвижения разума вперед».

В этом – потенциал современной науки. Но для прогноза наряду с потенциалом нужно знать наиболее вероятные направления дальнейшего движения. Чтобы определить, куда направится течение воды, нужно знать не только уровень водохранилища, но и тальвег, по которому ринется поток. Такими тальвегами для науки служат ее нерешенные проблемы. С одной из них мы познакомились. Это выведение релятивистских законов поведения масштабов и часов из их корпускулярной структуры. Подобную задачу Эйнштейн сформулировал в итоговой характеристике специальной теории относительности. Подводя итоги общей теории относительности, он поставил другую задачу. Общая теория относительности – это теория тяготения. А другие поля? Когда создавалась общая теория относительности, кроме гравитационного поля было известно электромагнитное. Эйнштейн потратил тридцать лет на поиски единой теории, из которой вытекали бы не только законы тяготения, но и законы электромагнетизма. Эти поиски не привели к решению задачи. Единая теория поля не была построена. Было ли бесплодным величайшее напряжение самого гениального мозга, какой знает история физики? Были ли поиски единой теории поля бесперспективной тратой интеллектуальных сил? В 30—50-е годы многие думали, что эти поиски безрезультатны. Сейчас на поставленный вопрос уже нельзя ответить без некоторого уточнения понятия «результат», когда речь идет об усилиях физической мысли. Поиски единой теории остались безрезультатными в том смысле, что не были найдены уравнения, которые описывали бы не только гравитационное, но и электромагнитное поле. Более того, наука нашла множество иных полей помимо гравитационного и электромагнитного. Этим полям соответствуют различные виды элементарных частиц. Значит, задача теперь состоит не только в объединении теории тяготения и теории электромагнетизма, но в создании теории, выводящей значения массы, заряда и других свойств каждого типа частиц из единых уравнений.

Иногда поиски какого-то нового решения оканчиваются выяснением его невозможности. Таковы были поиски вечного двигателя. Таковы были впоследствии поиски явлений, демонстрирующих движение относительно эфира. В первом случае они окончились открытием сохранения энергии, во втором – теории относительности. Бывает и иначе. В истории науки безрезультатные поиски иногда были вопросом, на который наука еще не могла ответить, вопросом, объективно адресованным будущему. Эти вопросы, в отличие от ранее упомянутых, не умирают, они ставятся вновь и вновь и входят в наследство, которое каждая эпоха передает следующей. Это очень важный результат научной мысли каждой эпохи. Если иметь в виду не уровень знаний, а динамику, переход к новому уровню, то, что особенно важно для прогнозов, эта «вопрошающая» компонента науки оказывается не менее важной, чем положительные знания, чем «отвечающая» компонента.

Мы увидим позже, что основной прогноз на конец века – это получение ответа на поставленный Эйнштейном вопрос о единой теории поля, вернее, на вопрос о единой теории элементарных частиц, который приобретает в наше время все более настоятельный характер.

Конечно, нужно напомнить, что здесь «прогноз» – это только псевдоним констатации наметившейся тенденции.

Чтобы придать слову «прогноз» несколько более прямой смысл, нам недостаточно характеристики интеллектуального потенциала науки (констатации общности и широты ее исходных допущений и синтеза «углубления в себя» и «продвижения вперед») и характеристики тальвегов – назревших и нерешенных проблем. Нам нужно еще обратиться к тем силам развития науки, которые связаны с ее эффектом и с тем объемом интеллектуальных и материальных усилий, которые общество выделяет для решения научных проблем.

Мы говорили до сих пор об идеях относительности, идеях единой теории поля, об идейных коллизиях, о синтезе логического углубления идей и экспериментального постижения мира. Мы видели во всем этом исходные звенья научного прогноза. Следует ли отсюда, что идеи правят миром, что они могут объяснить ход научного и общественного прогресса?

Нет, идеи не правят миром. Движущей силой общественного прогресса служит в последнем счете развитие производительных сил человечества. Такая роль производительных сил подтверждена всей историей человечества, и в наиболее яркой форме – историей последних десятилетий. Сейчас все знают, что освобождение атомной энергии определило важнейшие технико-экономические, социальные и культурные процессы современности. Вместе с тем все знают, что к освобождению атомной энергии привело не логическое саморазвитие идеи в умах людей, а развитие промышленности и эксперимента. Наука сейчас не отличается от промышленности в том отношении, что она входит вместе с промышленностью в единый комплекс, где каждая отрасль не может существовать и развиваться без других. Что же касается эксперимента, то современная наука насквозь экспериментальна – больше, чем когда-либо. Здесь следует вернуться к уже удивившему нас эффекту экспериментальных схем с зеркалами, лучами света и кабинами лифта. Все дело в том, что сейчас величайшие революции мысли, величайшие преобразования стиля и логики научного мышления (самые крупные «углубления разума самого в себя») неотделимы от однозначного постижения все новых и новых фактов («продвижения разума вперед»). Этот синтез двух движений разума, которые когда-то противопоставил друг другу Лаплас, является главной тайной науки XX в., он получил наиболее отчетливое выражение в слиянии критериев «внутреннего совершенства» и «внешнего оправдания», а наиболее важным результатом их слияния была теория относительности. Основная идея этой книги состоит в том, что перспектива дальнейшего, еще более глубокого синтеза «углубления разума самого в себя» и его «продвижения вперед» является исходным пунктом прогнозов научного прогресса. Подчеркнем еще раз, что речь может идти отнюдь не о логическом саморазвитии идей как фундаментальной движущей силы прогресса. Такое саморазвитие всегда опиралось на эксперимент, промышленность, эмпирическую проверку – на «внешнее оправдание». Теперь же развитие идей само происходит в форме мысленных и реальных экспериментов. Для теории относительности характерно радикальное исключение из концепции мира всех понятий, которые принципиально не ведут к эксперименту, всех представлений (например, представления о движении в эфире и самого эфира), которые не могут стать объектом экспериментальной проверки. Именно поэтому изложение теории относительности обычно требует экспериментальных схем с зеркалами и лучами света, схем, которые оказываются в последнем счете столь важными для духовной эволюции и развития производительных сил человечества.

Из экспериментального стиля современного научного мышления, из синтеза «внутреннего совершенства» и «внешнего оправдания», из синтеза «углубления в себя» и «продвижения вперед» вытекает более высокая форма динамичности, свойственная современной науке. В свое время научные концепции выводились из логических схем, казавшихся незыблемыми. Экспериментальные данные входили в науку, не колебля ее исходных принципов. Сейчас эксперимент служит основой радикального пересмотра исходных принципов. Отсюда – новая динамика научного и технического прогресса. Уже говорилось о контрольных исследованиях в заводских лабораториях как гарантии заданного технического уровня, о поисках новых конструкций и технических приемов как гарантии ненулевой скорости технического прогресса, о поисках новых идеальных физических схем как гарантии его ускорения и о фундаментальных исследованиях, приводящих к возрастанию самого ускорения. Именно динамизм исходных принципов, которые стали объектом экспериментальной проверки (в этом и состоят фундаментальные исследования), характерен для науки XX в., и связан он с синтезом логики и эксперимента, «углубления разума самого в себя» и его «продвижения вперед».

С таким синтезом связан явный характер той зависимости научного прогресса от развития производства, которая была открыта еще в XIX в. Сейчас мы попытаемся, исходя из этой зависимости, определить, какой более высокий синтез «углубления в себя» и «продвижения вперед» вытекает из широкого производственного применения релятивистской и квантовой физики. Мы убеждены, что такой синтез и является главным прогнозом для науки конца XX в.

Атом

В первой части этой книги, в очерке «Начальные условия» уже шла речь о ноозонах, о тех областях, где законы одного ряда явлений переходят в иные законы, специфические для другого ряда, несводимые к первым. Теперь мы можем проиллюстрировать подобные переходы и вместе с тем показать, что именно здесь – наиболее пластичные зоны, где целесообразная деятельность человека создает начальные условия, упорядочивает мир, создает исходную негэнтропию, предопределяющую в той или иной мере ход объективных процессов. В современной науке и технике ноозонами становятся такие звенья иерархии дискретных частей вещества, которые раньше не могли испытать упорядочивающее воздействие человека. Сейчас речь пойдет об атомном ядре и ядерных реакциях. Здесь создается зона перехода от законов и соотношений, определяющих существование стабильных ядер, к законам деления и синтеза ядер, их превращения в иные ядра. Для реакций ядерного деления существенно наличие некоторой критической массы, при которой деление ядер приобретает характер цепной реакции. Получение делящегося вещества в блоках критической массы – пример создания начальных условий, предопределяющих ход используемого процесса. В случае синтеза ядер начальные условия включают очень высокую температуру. В обоих случаях речь идет о такой перекомпоновке исходных, начальных условий, при которой начинается заранее представимый (и поэтому могущий играть роль цели человеческой деятельности) процесс. Создание блоков делящегося урана или плутония в сущности аналогично созданию концентрированного перепада потенциала воды в верхнем и нижнем бьефах у плотины или перепаду температуры между котлом и конденсатором паровой машины. Только в ядерной энергетике мы сталкиваемся с несравненно большими концентрациями энергии, с несравненно большими перепадами, с пластичной, допускающей целесообразное вмешательство структурой в очень малых пространственно-временных областях. Однако здесь лучше остановиться и вспомнить о читателях, которые ожидают пояснений, чтобы понять, о чем идет речь, о каких ядрах, о каких процессах деления и синтеза. Таких читателей, вероятно, меньшинство: представления о ядерных процессах, освобождающих 2,2 тыс. квтч из каждого грамма делящегося вещества, сейчас широко распространены. Но интересы меньшинства должны учитываться, и краткие пояснения здесь уместны.

Теория относительности связала энергию тела с его массой соотношением Е = mс². Это соотношение впоследствии позволило объяснить один важный результат ядерной физики. Масса ядра немного меньше, чем сумма масс ядерных частиц – протонов и нейтронов, из которых состоит ядро. Разность (ее назвали «дефектом массы») у одних элементов больше, у других меньше. С точки зрения теории относительности эту разность можно связать с энергией связи частиц в ядре, объяснить разностью энергии ядерных частиц, взятых порознь (т. е. суммарной энергией распавшегося ядра, суммарной энергией еще не соединенных воедино частиц, из которых состоит ядро), и полной энергией ядра. Энергия ядра меньше суммы энергий составляющих его частиц, поэтому и масса его меньше суммы масс частиц. Когда частицы соединяются в ядро, освобождается энергия и соответственно уменьшается масса. В одних ядрах частицы упакованы более компактно, разность между энергией ядра и суммарной энергией частиц, составляющих это ядро, здесь относительно больше и соответственно дефект массы больше. В ядрах других элементов частицы упакованы не так компактно и дефект массы меньше. Разумеется, речь идет не о различии, зависящем от сравнительной величины ядер (они могут состоять из нескольких частиц, из нескольких десятков частиц, вплоть до самых тяжелых элементов, где в ядрах сгруппировано больше двухсот частиц), а о дефекте массы, приходящемся на одну частицу, об удельном дефекте массы.

Предположим, что мы перегруппировали частицы и уложили их в ядре так, что дефект массы возрос. Тогда за счет подобной более компактной, более экономной упаковки часть энергии освободится. Каким переходам от одного элемента к другому соответствует такое освобождение энергии?

Таблица Менделеева начинается водородом, атомное ядро которого состоит из одного протона. Здесь дефект массы, конечно, отсутствует. У следующего элемента, гелия, ядро состоит из двух протонов и двух нейтронов, здесь есть значительный дефект массы, и синтез ядер гелия из ядер водорода (т. е. протонов) и нейтронов освободил бы относительно большое количество энергии. В середине таблицы Менделеева находятся элементы с большим удельным дефектом массы, чем в начале таблицы, у легких элементов, и большим, чем в конце таблицы, у тяжелых элементов. Поэтому, разделив ядро урана (238 ядерных частиц) на два ядра по 115–120 ядерных частиц, мы перешли бы к более экономной упаковке частиц и соответственно большему удельному дефекту массы. Энергия при этом выделилась бы. Такое выделение энергии освободило бы только небольшую часть энергии, соответствующей всей массе вещества. Здесь еще не используется энергия, близкая к массе частиц, умноженной на квадрат скорости света. Но освобождающаяся при таком делении энергия в миллионы раз больше, чем энергия, получаемая из того же количества вещества при перегруппировке атомов в молекулах, например при сгорании топлива. В атомной физике энергия обычно измеряется электронвольтами (эв). Электронвольт – это энергия одного электрона, которую он приобретает, пройдя разность потенциалов в один вольт. При делении одного ядра урана выделяется 200 млн. эв энергии – в несколько миллионов раз больше, чем. приходится на один атом при выделяющих энергию химических реакциях, например при горении топлива. Один грамм урана дает больше тепла, чем три тонны сгорающего угля.

Практическая возможность перегруппировки ядерных частиц в ядра с большим дефектом массы и использования разницы в дефекте массы стала вырисовываться в 30-е воды. В начале 30-х годов были открыты уже упоминавшиеся частицы, не имеющие электрического заряда, – нейтроны. Лишенные заряда, они не испытывают кулоновского отталкивания со стороны ядер и могут легко проникать в ядра и вызывать ядерные реакции. До конца 30-х годов были известны лишь ядерные реакции радиоактивного распада, при которых из ядра вылетают одна или несколько ядерных частиц и элемент переходит в соседнюю или близкую клетку таблицы Менделеева. В 1939 г. выяснилось, что при бомбардировке урана нейтронами ядро урана раскалывается на две почти равные половины – атомные ядра элементов, стоящих в середине таблицы Менделеева. Разница в дефекте массы уже указана – 200 млн. эв, так что на каждую ядерную частицу приходится около миллиона электрон-вольт «экономии». Освобождение этой энергии (соответствующее уменьшению массы ядра урана при его расщеплении) в виде кинетической энергии осколков урановых ядер и в виде излучений сопровождается вылетом из делящихся ядер новых нейтронов, которые попадают в другие ядра, и таким образом при известных условиях возникает цепная реакция, иначе говоря, первый же нейтрон (а они могут возникать в уране спонтанно либо под действием космических лучей) вызовет деление всей массы урана.

Цепная реакция не прекращается, если при делении ядра выделится число нейтронов, в среднем большее единицы, т. е. на каждый затраченный нейтрон выделится больше одного нового нейтрона. Развитию цепной реакции мешает захват нейтронов ядрами, которые при захвате не делятся. Если из каждой группы выделившихся новых нейтронов слишком много нейтронов будет захвачено ядрами без деления этих ядер, цепной реакции не произойдет. Обычный природный уран состоит в основном из двух изотопов: урана-238 с 238 ядерными частицами и урана-235 с 235 частицами (есть еще третий изотоп – уран-233 с 233 частицами; его в природном уране совсем мало). Урана-238 в 140 раз больше, чем урана-235. Ядра этих изотопов по-разному реагируют на попадание медленного (с энергией не больше 2 млн. эв) нейтрона. В уране-238 ядра, захватывая такой нейтрон, превращаются в ядра нового изотопа – урана-239. Таким образом, они не распадаются. Каждый новый нейтроне имеет во много раз больше шансов быть захваченный ядром урана-238, чем вызвать деление и участвовать 9 цепной реакции.

Поэтому в обычном, природном уране цепной реакции не происходит. Другое дело, если выделить уран-235. Ядра этого изотопа делятся при попадании нейтрона в ядро, и в выделенном, чистом уране-235 начинается цепная реакция. Но здесь требуется дополнительное условие. Если кусок урана-235 мал, большинство нейтронов уйдет из этого куска, не вызвав деления ядер: для цепной реакции нужен кусок урана-235 не меньше определенной, критической массы.

Теперь посмотрим, что происходит, когда ядро урана-238 захватывает нейтрон. Оно становится ядром урана-239. Этот неустойчивый изотоп очень быстро распадается и при этом переходит в изотоп нептуния-239 – нового, искусственно полученного элемента таблицы Менделеева, первого из более тяжелых, чем уран, элементов – трансуранов. Далее, нептуний, обладающий периодом полураспада 2,3 дня, превращается в изотоп плутония. Ядра плутония делятся под влиянием нейтронов, подобно ядрам урана-235.

Нейтроны с энергией ниже 2 млн. эв вызывают деление урана-235 и плутония. Они могли бы поддерживать цепную реакцию и в природном уране, если бы удалось уменьшить шансы захвата нейтронов ураном-238. Очень медленные нейтроны обладают такими уменьшенными шансами захвата. Но как добиться, чтобы сравнительно быстрые нейтроны, образующиеся при делении урана-235 (их энергия в среднем около 2 млн. эв), уменьшили свою скорость, чтобы их энергия достигла нескольких электронвольт и ниже до встречи с ядрами урана-238? С такой малой энергией нейтроны избегнут захвата ядрами урана-238, вызовут деление урана-235, и при надлежащих условиях начнется цепная реакция. Если пронизать толщу природного урана другим веществом, замедляющим нейтроны, но мало захватывающим их, то задача может быть решена. В качестве подобного замедлителя может фигурировать водород – его ядра при упругих столкновениях с нейтронами замедляют их. Но ядра водорода слишком часто захватывают нейтроны, образуя ядра тяжелого водорода – дейтерия. Поэтому, применив в качестве замедлителя воду, т. е. вещество, в котором много водорода, мы не получим цепной реакции в природном Стране; вода как замедлитель пригодна, если применяется' обогащенный уран, с большим, чем в природном уране, содержанием урана-235. Дейтерий, т. е. тяжелый водород, в ядре которого кроме протона есть еще нейтрон, меньше захватывает нейтроны, и если взять тяжелую воду (т. е. вещество, где водород заменен дейтерием), то можно пользоваться природным ураном. Можно еще использовать в качестве замедлителя графит; урановые стержни в графитовом блоке были применены уже в первом ядерном реакторе.

Теперь несколько слов о реакторах, в которых распад ядер урана используется для получения тепла и производства электроэнергии. Осколки ядер обладают большой кинетической энергией; они передают эту энергию окружающей среде, и температура последней повышается. Чтобы повышение температуры не разрушило реактора, в «активную зону», т. е. в пространство, где происходит деление урана, вводят кадмиевые стержни, которые сильно поглощают нейтроны. Ввод этих стержней позволяет регулировать реакцию и выделение тепла.

Отвод тепла производится с помощью теплоносителя – воды, жидкого металла или газа с малой химической активностью.

Начало атомной энергетики и начало атомного века – это отнюдь не атомные бомбы. Ведь началом эры тепловых двигателей было не огнестрельное оружие, которое можно рассматривать как цилиндр, из которого поршень под давлением расширяющихся газов вылетает наружу в виде снаряда или пули. Такой однотактный двигатель не был началом теплоэнергетики, хотя именно он заставил Лейбница, Гюйгенса и Папена подумать о промышленном двигателе, превращающем давление газа или пара в механическую работу. Первые реакторы, вырабатывавшие плутоний для атомных бомб, реализовали физическую схему, которая, трансформировавшись, стала основой собственно энергетического применения ядерных реакторов. Трансформация была достаточно глубокой, хотя и не столь коренной и уже совсем не столь длительной, как та, которая отделяла огнестрельное оружие от тепловых двигателей. В реакторах, где изготовлялся плутоний для атомных бомб, происходили два основных ядерных процесса. Первый состоял в делении ядер урана-235. Чтобы этот процесс продолжался и оказывался цепной реакцией, чтобы число нейтронов, выделяющихся при делении и вызывающих деление других ядер урана-235, не уменьшалось, нужно было, как уже говорилось, замедлять нейтроны. Но такое замещение, не позволяя ядрам урана-238 захватывать слишком много нейтронов, все же не полностью устраняло подобный захват. Он и был вторым (ас точки зрения производственной задачи – первым) основным процессом в реакторе. Захват нейтронов ядрами урана-238 превращал последний в конце концов в плутоний.

Предположим, что плутоний, который образуется в реакторе, используется в самом этом реакторе: он заменяет сгоревшее ядерное горючее, он делится, испускает новые нейтроны, и эти нейтроны частично попадают в ядра плутония и поддерживают цепную реакцию, а частично попадают в ядра урана-238 и превращают их в конце концов в новые ядра плутония.

Мы приходим к физической схеме, массовое практическое воплощение которой будет весьма радикальным переворотом в энергетике. Все дело в числе нейтронов, избыточных по отношению к необходимым для поддержания цепной реакции и создающих новое ядерное топливо. Плутоний создавался и раньше, в первых реакторах, где изготовлялись заряды атомных бомб. Он и был основной продукцией этих реакторов. Но плутоний не возвращался в реактор, не служил для пополнения ядерного горючего, не был таким горючим, не участвовал в управляемой реакции, не являлся источником энергии, базой атомной станции. Деление плутония не было управляемой цепной реакцией с постоянной скоростью, оно происходило в виде взрыва. Здесь полная аналогия с огнестрельным оружием (однократный акт выброса поршня) и тепловым поршневым двигателем (поступательно-возвратное движение поршня, поддерживающего повторяющееся расширение пара или газа).

Еще несколько слов об этой аналогии. Атомная бомба из плутония во время взрыва представляет собой чисто энергетический (производящий только энергию, а не атомное горючее) реактор на быстрых нейтронах. Разумеется, такое определение не менее условно, чем определение пушки как теплового двигателя: бомба – однократный реактор. Можно ли превратить его в управляемый реактор с постоянной отдачей энергии для производственного использования? Возможна ли атомная электростанция, в которой, нейтроны не замедляются?

Напомним, что замедление нейтронов было необходимо для поддержания цепной реакции. Без замедления нейтроны, образующиеся в природном уране при делении ядер урана-235, попадали бы в гораздо более многочисленные ядра урана-238 и захватывались этими ядрами без деления и дальнейшего образования нейтронов. Но если атомный реактор содержит только (или в очень большой мере) уран-235, то положение меняется. Теперь быстрые нейтроны уже не попадают в ядра урана-238 – последние отсутствуют или их очень мало в активной зоне реактора. Цепная реакция продолжается. При этом коэффициент воспроизводства нейтронов (вероятное число нейтронов, образующихся при делении, вызванном одним нейтроном) будет значительно большим, чем в случае медленных тепловых нейтронов. Но для управляемой реакции не нужны быстрое размножение нейтронов и соответственно охват делением увеличивающегося в геометрической прогрессии числа атомных ядер. Избыточного числа нейтронов хватит, чтобы возместить различные потери (поглощение нейтронов материалами, из которых сделано оборудование реактора, теплоносителем и т. п.) и, кроме того, чтобы часть нейтронов попала из активной зоны в окружающую уран-235 толщу природного урана и частично превратила преобладающий здесь уран-238 в уран-239, который превратится в нептуний, а затем в плутоний. Этот плутоний заменит находящийся в центральной активной зоне уран-235. Реактор сможет работать без нового, привносимого извне ядерного горючего – делящихся материалов. Более того, можно устроить так, чтобы число новых ядер плутония было больше, чем число разделившихся ядер урана-235 или ядер плутония, т. е. чтобы реактор производил больше ядерного горючего, чем он сам потребляет. Можно, например, сделать так, чтобы каждые два разделившихся ядра плутония вызывали образование новых трех ядер плутония из ядер урана-238. К такой особенности реакторов-размножителей мы вскоре вернемся.

Реактор, о котором идет речь, называется реактором на быстрых нейтронах. Ему, по-видимому, принадлежит будущее. Но только будущее. Сейчас реакторы ка быстрых нейтронах еще не могут успешно конкурировать с реакторами на медленных нейтронах. Применение последних имеет некоторые преимущества. Реактор на быстрых нейтронах обладает очень малыми размерами активной зоны, где происходит деление ядер и выделяется тепло. Отводить это тепло при малых размерах трудно и сложно. Реактор на медленных нейтронах лишен этого недостатка, и здесь отвод тепла легче, проще и соответственно дешевле. Но здесь уменьшается число нейтронов, вызывающих деление, уменьшается число новых нейтронов, и баланс их такой, что нельзя получить из урана-238 больше ядерного горючего, чем его израсходовано. Возможно, однако, и при использовании медленных нейтронов получить возрастание ядерного горючего. Уже давно было известно, что торий – элемент, чаще встречающийся в земной коре, чем уран, захватывая нейтроны, превращается в изотоп урана с ядром, состоящим из 233 частиц. Этот уран-233 является одной из составных частей природного урана, но его содержание еще во много раз меньше, чем содержание урана-235. Следующее обстоятельство сделало очень важным этот изотоп и возможность его получения из тория. Дело в том, что уран-233, подобно плутонию и урану-235, под влиянием нейтронов делится и представляет собой поэтому еще один вид ядерного горючего. Число нейтронов, образующихся при делении урана-233, сравнительно велико, и этих нейтронов хватит, чтобы вызвать возрастание запаса ядерного горючего даже при использовании медленных нейтронов. Можно окружить активную зону, где сгорает уран-235, торием. Нейтроны, попадающие в торий, вызовут образование урана-233.

Такая схема – использование вместо урана более распространенного тория и изготовление в реакторе большего количества ядерного топлива, чем потребляемое им количество, имеет первостепенное значение для проблемы энергетических ресурсов. Но, прежде чем коснуться этой темы, вернемся к уже сделанным в первой главе замечаниям о характере технического прогресса в атомном веке – об изменении не только конструкций и технологических схем, но и идеальных физических циклов, к максимальному воплощению которых стремится развивающаяся техника.

Именно такова эволюция реакторов. Наряду с чисто техническим прогрессом, т. е. все более полным техническим воплощением каждой физической схемы (выбор новой конструктивной формы реактора, нового замедлителя, нового теплоносителя), происходит смена самой идеальной физической схемы. Именно таков переход от реакторов, тратящих возобновляемое извне ядерное горючее, к реакторам-размножителям. Здесь используется новая физическая схема, технический прогресс становится научно-техническим прогрессом, он приносит не только технологическую информацию, но и информацию о закономерностях ядерных реакций, расширяет рамки техники, зависящие от физической схемы, состоит в приближении к идеальному циклу, который сам меняется, сам заменяется другим идеальным циклом.