Текст книги "В поисках чуда (с илл.)"

Автор книги: Лев Бобров

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 25 страниц)

Чтобы, умирая, возродиться

Быстрыми темпами прогрессирует ядерная энергетика. Но она вскрывает и новые трудности, ставит новые проблемы перед учеными.

Уран-235 – единственное ядерное топливо естественного происхождения. Доля его в природном уране прискорбно мала – 0,715 процента (один атом из 150).

Мировые запасы урана-235 обещают примерно миллиард миллиардов киловатт-часов. Казалось бы, немало. Но это в 10 раз меньше, чем могут дать разведанные запасы обычных горючих ископаемых!

Выходит, ядерная энергетика, если она и впредь будет ориентироваться только на уран-235, отнюдь не упразднит проблему энергетического голода.

Чего действительно много в земной коре, так это урана-238. Беда в том, что он не в силах обеспечить самоподдерживающуюся цепную реакцию. Правда, из него получается отличное горючее – плутоний-239.

На такому превращению подвергаются лишь два процента урана-238, загруженного в обычный реактор.

Впрочем, мы забыли о тории! Этот элемент, как и уран-238, сам гореть в ядерных топках не способен.

Однако под нейтронным обстрелом в реакторе он тоже превращается в горючее – в уран-233. Так что у наших потомков есть еще один резерв.

И все же…

Человеку этого мало. Его неугомонный разум изыскивает все новые и новые возможности, таящиеся в недрах воистину неисчерпаемого атома.

В главе «Из искры – пламя» рассказывалось о физиках, которым на заре их научной деятельности приходилось кочегарить у «буржуйки» в нетопленной лаборатории. То-то были бы озадачены, верно, эти юные «истопники», скажи им кто-нибудь тогда, что в печке вместо одной начисто сгоревшей охапки дров каждый раз откуда ни возьмись сама собой должна появляться новая, возрождаясь из пепла, словно сказочная птица Феникс. Между тем нечто подобное и впрямь осуществимо, только не в химической, а в ядерной топке.

Вот уже восемь лет непрерывного трудового стажа насчитывает необычная атомная машина, созданная под руководством члена-корреспондента АН УССР А. И. Лейпунского. Ее инициалы БР-5 расшифровываются так: быстрый реактор тепловой мощностью 5 тысяч киловатт. От других «котлов», упоминавшихся здесь, он отличается отсутствием замедлителя.

В обычных установках на АЭС применяется вещество (графит, вода), тормозящее нейтроны, снижающее их энергию. Без замедлителя самоподдерживающийся процесс в бедной смеси заглохнет – слишком уж велика здесь жадная толпа атомов урана-238, этих микрогаргантюа, заглатывающих нейтроны без последующего деления, то есть попросту обрывающих цепочку распадов. Чтобы реакция, несмотря на потери, все же пошла, нужно резко повысить содержание урана-235, доведя его до десятков процентов против, к примеру, полутора (Нововоронежская АЭС) или 1,3 процента (Белоярская).

Конечно, облагораживание естественной изотопной смеси стоит немало. Но в атомных котлах без замедлителя количество топлива с течением времени не уменьшается, а, напротив, растет. Ведь ядро урана-238, отправив в свое чрево нейтрон, превращается в конце концов в плутоний-239 (отличное горючее!).

В итоге весь бездеятельный уран, загруженный в реактор, можно сделать энергетически активным, полезным.

Установка перейдет на полное самоснабжение да еще будет делиться своим непрерывно растущим капиталом с другими атомными станциями. Если теперь пересчитать ядерные энергоресурсы, они окажутся в десятки раз больше, чем химические – те, что заключены в органическом топливе планеты. Мало того, благодаря быстрым реакторам со временем будет выгодной добыча и переработка бедных урановых и ториевых руд.

У быстрых реакторов (их называют также размножителями) есть и другие преимущества.

Изучение новых перспектив, которые открыл перед энергетикой самовозрождающийся из пепла «ядерный Феникс», началось у нас еще в 1949 году. Шесть лет спустя был пущен первый советский реактор на быстрых нейтронах мощностью 50 ватт, в 1956 году – второй (100 киловатт), в 1958 году – третий (5000 киловатт).

Одновременно исследования в этом же направлении развернулись в Америке и в Западной Европе.

АЭС с быстрыми реакторами построены в США, Англии.

«Советская концепция развития ядерной энергетики, – подводил итог в своем отчете о III Международной женевской конференции А. М. Петросьянц, председатель Госкомитета по использованию атомной энергии, – предполагает более быстрый переход к созданию реакторов-размножителей как генеральной линии ядерной энергетики, хотя для нас, конечно, ясно, что реакторы на быстрых нейтронах, являясь наиболее перспективным и многообещающим типом реакторов (имеются в виду промышленные масштабы), требуют еще большой творческой работы».

Глубокие исследования, проведенные в СССР над быстрыми нейтронами, позволили приступить к сооружению в районе Каспия промышленного реактора-размножителя электрической мощностью 150 000 киловатт.

На этом фоне совсем неприметно выглядит цифра – от ¹∕₂ до ⁴∕₅ киловатт. Такую мощность имеет установка «Ромашка», построенная под руководством академика М. Д. Миллионщикова в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова. Ее реактор тоже быстрый, только служит он уже не размножителем. Основная его функция, как и у большинства других его собратьев, – превращать тепло в ток. Но как превращать!

Законное изумление вызывает у нас изощренная смекалка конструкторов, придумавших массу хитроумнейших приспособлений, дабы энергию расщепленного атома передать потребителю в наиболее удобной форме – в виде электрического тока. Тут и тепло – носитель – вода, натрий, газойль. Тут и сеть коммуникаций, своей витиеватостью напоминающая кровеносную систему. Трубы, распираемые десятками атмосфер и обжигаемые сотнями градусов.

Перегреватели. Парогенераторы. Турбины. Электрогенераторы.

Да, сперва надо превратить атомный жар в упругий влажный ураган, затем поступательное движение пара – во вращение якоря с обмоткой, наконец, механическую энергию – в электрическую. Вот сколько пересадок на маршруте тепло – ток! Пока что нигде в мире не умеют делать иначе – по крайней мере в промышленных масштабах. Но будет ли так всегда?

14 августа 1964 года состоялся пуск, первого в мире реактора, трансформирующего ядерное тепло прямо в электрический ток. Поэтическое название цветка родилось неспроста: боковые выступы на цилиндрическом корпусе термоэлектрического преобразователя напомнили инженерам лепестки простой полевой ромашки.

«Ромашка» отапливается ураном-235 – в изотопной смеси его доля составляет 90 процентов. Вес горючего – почти полцентнера.

Тепловой поток воспринимается кремний-германиевыми термоэлементами. В них-то и происходит волшебное превращение тепла в ток, прямое, без промежуточных ступеней. Горячие спаи полупроводниковых преобразователей нагреты до тысячи градусов. «Холодные» – до 600, хотя находятся совсем рядом. Этот температурный перепад, необходимый для эффективной работы кристаллических источников тока, достигается без сложной системы охлаждения.

Тепло отводится в окружающий воздух металлическими лепестками «Ромашки».

Преобразователи работают в очень напряженном режиме. Убийственная жара. Резкие температурные контрасты. Мощные потоки нейтронного излучения.

Выстоят ли в этой адской обстановке все узлы агрегата?

Советская инженерная мысль с честью выдержала ответственные испытания на зрелость.

Русское слово «Ромашка» замелькало на всех языках в строгих научных отчетах после того, как наши ученые на Международной конференции по мирному использованию атомной энергии сделали доклад и показали кинофильм о новом типе реактора.

Спору нет, «Ромашка» с ее полукиловаттной мощностью не конкурент большим советским реакторам.

Но перед нами новое слово в ядерной энергетике.

Кто знает, к каким сдвигам ведет этот путь, по которому сделан лишь первый шаг?

На Женевской конференции сообщалось и о других аналогичных аппаратах. В частности, о советском транзисторном устройстве «Бета-1». Здесь уже атомную энергию для непосредственного превращения ее в электрическую поставляет не деление урана или плутония, а бета-распад церия, помещенного в маленький контейнер. Преобразователь дает жизнь радиопередатчику мощностью в 150 ватт, которым оборудована стандартная автоматическая метеостанция. На весенней Международной лейпцигской ярмарке 1965 года удостоен золотой медали следующий представитель того же семейства, созданный Всесоюзным научно-исследовательским институтом радиационной техники, – «Бета-2». Он снаряжен стронцием-90 и рассчитан на 10 лет совершенно независимой работы при полном самообслуживании.

Можно без конца рассказывать о мирных завоеваниях советской ядерной энергетики. Впрочем, почему обязательно энергетики? Разве список гражданских профессий атома исчерпывается одной строкой – «добытчик тепла, света, движущей силы»?

Опуская в скважину источник ядерной радиации, геологи прощупывают пласты, пройденные буром.

Так отыскиваются нефть, газ, уголь, металлические руды. По идее члена-корреспондента АН СССР Г. Н. Флерова сконструирован и внедрен в практику миниатюрный импульсный ускоритель для нейтронного каротажа (зондирования) земных слоев.

Гамма-дефектоскопия – некое подобие рентгена, разве что в его более мощном индустриальном исполнении – позволяет заглянуть внутрь детали и выяснить, нет ли там предательских трещин или раковин.

С помощью радиоактивных изотопов человек измеряет уровень жидкости в закрытых резервуарах, следит, не обмелели ли порты. Оценивает степень износа рабочих поверхностей – от кромки резца до огнеупорной футеровки, выстилающей раскаленную пасть доменной печи. Обнаруживает утечки газа из подземных трубопроводов. Снимает сильные заряды статического электричества, угрожающие пожаром.

Узнает структуру отдельных молекул. С фантастической точностью определяет чистоту веществ.

Ускоряет химические реакции. Меняет свойства материалов и даже живых существ. Уничтожает вредителей.

Наконец, лечит. Невозможно перечислить все, что дает атом человеку.

Три с лишним тысячи советских заводов, институтов, лечебниц применяют в своей повседневной практике ионизирующие излучения и свыше тысячи всевозможных радиоактивных препаратов, производящихся в нашей стране. За один только 1962 год это принесло 200 миллионов рублей экономии. С 1961 по 1963 год у нас выпущено более 30 тысяч радиоизотопных приборов.

Как ускорился научный прогресс, сколько экономится усилий и средств с приходом доброго атома!

Как же и когда он пожаловал в нашу страну? Чьи открытия и изобретения подготовили почву для грандиозных завоеваний советской атомной техники?

Ревизия после катастрофы

«Наука интернациональна, – писал в 1961 году английский ученый Джордж Томсон, широко известный у нас как автор книги „Предвидимое будущее“. – Это очевидно из простого перечня имен: англичанин Чадвик первый открыл нейтроны; итальянец Ферми установил, что они производят определенный эффект в уране, хотя и не смог правильно его объяснить; немец Ган объяснил ошибку Ферми, но сам не сделал последнего шага: не сумел разглядеть процесс ядерного деления. Это выпало на долю его австрийской сотрудницы Лизы Мейтнер, ее племянника Фриша, бежавших от Гитлера, француза Жолио и коллектива американцев, которые почти одновременно открыли явление, обеспечивающее возможность цепной реакции. Здесь названы представители шести национальностей».

Здесь не названы представили русской нации.

Что ж, это вполне простительно: в своей мимолетной иллюстрации сэр Джордж Томсон не задавался целью исчерпывающим образом изложить «этнографический аспект» ядерной проблемы. Иначе ему пришлось бы объяснять, что, например, атомники шестой названной им «национальности» – американцы – на добрую половину состояли из европейцев, «импортированных» Соединенными Штатами. В частности, в США работали Лео Сциллард, Юджин Вигнер, Эдвард Теллер (все из Венгрии); из Италии – Энрико Ферми, Эмилио Сегре; из Германии – Альберт Эйнштейн, причем здесь названы далеко не все выходцы из Старого Света, не говоря уж о том, что сами «аборигены» Нового Света имели тоже довольно пестрый состав (канадец Вальтер Цинн, латиноамериканец Луис Альварес и т. д. и т. п.).

Томсон, бесспорно, не преминул бы назвать датчанина Бора, который стал общепризнанным преемником «патриарха» ядерной физики – неистового новозеландца Резерфорда, скончавшегося в 1937 году. Возможно, он помянул бы польского физика Ротблата, о котором говорилось раньше. А также югославского химика Савича, который вместе с полуполькой-полуфранцуженкой Ирен Кюри в Париже повторил берлинские опыты Гана – Мейтнер – Штрассмана и опроверг первоначальные выводы знаменитого австро-германского трио (возражения парижан побудили Гана и Штрассмана перепроверить свои результаты – именно так было экспериментально обнаружено деление уранового ядра, теоретически объясненное вскоре Мейтнер и Фришем. Это эпохальное открытие увенчано Нобелевской премией).

Ну, а советские ученые? Разве не достойны они занять подобающее место в созвездии столь блистательных имен?

…1932 год. На авансцену физики выходит главный герой ядерной драмы – нейтрон. Коротенькая, в полстранички, весточка о его открытии Чадвиком появляется в английском журнале «Нэйчур» 27 февраля.

Это сообщение будто молнией пронзает умы физиков.

Его ждали. Еще в 1920 году Резерфорд высказал догадку: возможно, существует элементарная частица с такой же массой, как у протона, но в отличие от него не имеющая электрического заряда.

Молодой ленинградский теоретик Дхмитрий Иваненко давно уже размышляет над структурой ядра.

Верно ли, что оно представляет собой смесь электронов и протонов? Если так, то, к примеру, у азота оно должно состоять из 14 элементарных положительных зарядов и 7 отрицательных. В итоге получается плюс 7. Если говорить о конечном результате, то он вполне соответствует действительности. Далее. Ядро азотного атома имеет массу, равную 14 единицам.

Так оно и есть: ведь основной вклад в нее вносят 14 протонов; ничтожным же довеском из семи электронов, который в тысячи раз легче, можно пренебречь.

Вроде бы все концы с концами сводятся хорошо, но…

В соответствии с квантовомеханическими воззрениями каждая частица наделяется особой характеристикой – спином. Эта величина и для протона и для электрона равна ¹∕₂. Число частиц в азотном ядре нечетное – 21. Стало быть, их суммарный спин всегда будет, как выражаются специалисты, «полуцелым».

Между тем вопреки теоретическим предсказаниям он именно целый. Похоже, что ядерный коллектив скомпонован из четного количества сочленов.

И это далеко не единственная неувязка из тех, что давно уже мозолят глаза ученым. Протонно-электронная модель расползается по швам. К сожалению, ничего лучшего пока не предложено.

А есть ли вообще электроны внутри ядер? Такое недоверие к общепризнанной концепции еще в 1928 году высказали Виктор Амазаспович Амбарцумян, ныне академик, астроном с мировой известностью, и Дмитрий Дмитриевич Иваненко, ныне профессор МГУ, доктор физико-математических наук. Это звучало как ересь. Ведь налицо был неоспоримый факт: бета-излучение. Откуда тогда берутся электроны, выстреливаемые ядром, ежели их там нет? Появляются на свет в момент бегства из ядра, не сдавались теоретики – «еретики», а отнюдь не запасены там загодя – подобно тому как, по метафорической аналогии доктора физико-математических наук С. Ю. Лукьянова, звуки «Лунной сонаты» Бетховена не спрятаны под деревянной крышкой рояля, а зарождаются при ударах о клавиши. Идея советских ученых тогда не встретила поддержки.

Наконец пробил час: открыт нейтрон! Буквально через два-три месяца в знаменитом «Нэйчур» вслед за чадвиковокой заметкой появляется столь же лаконичная и не менее сенсационная весть: ядра состоят не из электронов и протонов, как думали до сих пор, а из нейтронов и протонов! У автора гипотезы не столь привычное для англосаксонского и романского слуха имя, как Эрнест Резерфорд, Вернер Гейзенберг, Поль Адриен Морис Дирак, Франсис Перрэн. Его зовут Dmitri Iwanenko…

Гипотеза подвергается атакам. Среди оппонентов не кто иной, как проницательный Дирак, математически предвосхитивший в 1928 году открытие позитрона – положительного электрона (1932 год). Тот самый Дирак, на идеи которого опирались Амбарцумян и Иваненко, подвергая сомнению присутствие электронов в ядрах. Но на сей раз могучая интуиция словно отказывает кембриджскому корифею новой физики.

Со скрипом, не без сопротивления рушится протонно-электронная конструкция. Делаются попытки восстановить ее на новой основе. Так, в июле 1933 года супруги Жолио-Кюри предполагают, что ядра состоят из своеобразной «смеси» нейтронов с позитронами, где нейтрон является не элементарной частицей, а комплексом – протон плюс электрон.

В сентябре 1933 года докладом Фредерика Жолио-Кюри «Нейтроны» в Ленинградском физико-техническом институте открывается I Всесоюзная конференция по атомному ядру. На ней выступает и другой именитый гость – Франсис Перрэн (впоследствии он получит патент на расчет критической массы, а после войны станет верховным комиссаром Франции по атомной энергии). Он считает весьма правдоподобным представление Гейзенберга об облаках, окружающих нуклоны в ядре: электронном, охватывающем протон, и позитронном, в которое одет нейтрон.

На кафедре – Иваненко. В заочной полемике с Гейзенбергом он отстаивает элементарность ядерного нейтрона, как, впрочем, и протона. Он не убежден, что адвокатура Перрэна спасет гейзенберговские электронные и позитронные облака в ядре: подобное состояние маловероятно.

Слушателям и невдомек, что через несколько недель, в конце того же 1933 года, Гейзенберг сойдет с этих шатких позиций. В октябре на VII Сольвеевском физическом конгрессе в Брюсселе он заявит: попытки истолковывать бета-распад как сосуществование внутриядерных электронов с нуклонами не выдерживают критики.

Изгнание электронов из ядра и воцарение там нейтронов положило конец «азотной катастрофе».

Спин нейтрона равен ¹∕₂, как и у протона. Общее число нуклонов в ядре азота четное – 14. Потому-то у него суммарный спин целый. Но бывают ядра и с полуцелым спином. Значит, общее количество нейтронов и протонов в них нечетно.

Новая модель дала возможность точно рассчитывать энергию, высвобождающуюся при радиоактивном распаде.

Дважды два – четыре. Эта арифметическая истина в странном мире ядерных частиц терпит неожиданное фиаско. Оказывается, любое ядро всегда легче простой суммы несвязанных нуклонов, из которых оно возникло. «Недостача», – сказал бы ревизор.

«Дефект массы», – говорят физики. Правда, «материальный ущерб», нанесенный нуклонам при их коллективизации, полностью и тотчас возмещается в драгоценнейшей «валюте» – энергетической, причем такая компенсация в точности равна дефекту массы, умноженному на скорость света в квадрате.

Вся ядерная энергетика зиждется на этой закономерности, о чем бы ни шла речь – о синтезе легких ядер или же о делении тяжелых. У нейтрона масса не точно такая же, как у протона, хотя и близка к ней по своей величине. Эта разница играет существенную роль при вычислениях дефектов масс и энергетических эффектов, когда учитываются ничтожнейшие доли нуклонной плоти. Понятно, к каким грубым ошибкам приводили бы расчеты на основе протонно-электронной модели, если они вообще были бы возможны. Прочность ядра, его способность делиться, другие кардинальные его свойства зависят от соотношения между количествами нейтральных и заряженных частиц, составляющих сердцевину атома.

Стоит ли говорить, какое значение приобрела в руках теоретиков и экспериментаторов иваненковская модель?

Но так уж повелось, что разрешение одной проблемы немедленно ставит новые вопросы. Какими узами связаны вместе ядерные нуклоны?

Протоны – одноименно заряженные частицы. Они отталкиваются друг от друга. Что же спаивает их в дружный коллектив? Гравитационное взаимодействие? Нет, оно слишком слабо, чтобы противостоять электростатической вражде. Не может оно обеспечить и сильное взаимное влечение незаряженных нейтронов, способное сцементировать их вместе с протонами в сверхплотный ядерный сгусток.

Над этой загадкой мучительно бились физики всего мира. Ломал над ней голову и Энрико Ферми.

Однажды неутомимого римского исследователя осенила идея, которая обещала стать ключом к таинственному, за семью печатями, ядерному ларцу.

Великий итальянец уже засел было за изложение своей концепции, как вдруг…

В одном из номеров «Нэйчур» за 1934 год он прочитал две публикации, еще раз доказывавшие, что идеи «носятся в воздухе». И что в далекой, в такой, по слухам, «неевропейской» России есть свои физики – настоящие профессионалы, занятые проблемами атома.

Одну статью, напечатанную в «Нэйчур», написал москвич И. Е. Тамм, ныне академик, лауреат Нобелевской премии, другую – ленинградец Д. Д. Иваненко. Они дали новый подход к проблеме, после чего она, наконец-то, была выведена из тупика.

Какова же, по Тамму и Иваненко, природа ядерных сил?

Чтобы объяснить, как действуют силы на расстоянии, физики ввели особое понятие – «поле».

Например, поле гравитационное. Или электромагнитное.

Ни то, ни другое не годилось, чтобы объяснить притяжение нуклонов. А других полей физики не знали.

Тамм и Иваненко предположили: есть специфическое поле ядерных сил, не похожее ни на одно из уже знакомых и все же чем-то напоминающее их.

Было известно, что, например, взаимное влечение или отталкивание зарядов обусловлено тем, что они обмениваются квантами электромагнитного поля – фотонами. Перебрасываются ими, как жонглеры кольцами или игроки в пинг-понг пластмассовым шариком. Таким образом партнеры влияют на поведение друг друга. Тамм и Иваненко высказали гипотезу: такое же обменное взаимодействие связывает и нуклоны в ядре. Оно несравненно мощнее, чем гравитационное или электромагнитное, только проявляется на гораздо более коротких дистанциях. И здесь тоже должен существовать свой посредник в межнуклонном обмене. Какой же?

Не фотон, это ясно: он обеспечивает слишком слабую связь. Быть может, электрон? Расчеты, проделанные Таммом, показали: нет, он не годится на роль внутриядерной «разменной монеты» – мешало то, что у электрона полуцелый спин, а не целый, как у фотона. Нейтрино? Тоже нет: у него спин, как и у электрона, равен одной второй. Были и другие неувязки. А если нуклоны обмениваются сразу двумя частицами? У пары электрон – нейтрино суммарный спин целый! Увы, даже вдвоем этим тщедушным частицам не по плечу обеспечить чудовищно сильное тяготение между нуклонами.

Расчеты советского ученого упорно давали отрицательный результат. Что же тогда служит посредником в обменном взаимодействии, что? Оставалось сделать последний шаг, но… Наука в большей степени, нежели поэзия, «вся – езда в незнаемое».

Впрочем, разве мало сделано? Показав, что понятие поля универсально, эти работы словно открыли глаза физикам. Достаточно четким пунктиром они наметили зоны будущих раскопок на карте силовых полей – там мог лежать еще не найденный заветный «золотой ключик» к ядерному ларцу.

Так оно и случилось. Ответ на поставленный вопрос пришел меньше чем через год из японского города Осака. Ссылаясь на основополагающие работы Тамма и Иваненко, молодой преподаватель

Хидеки Юкава высказал догадку: обменные силы в ядре, видимо, обязаны своим происхождением частице с нулевым спином, которая в 200–300 крат тяжелее электрона и соответственно в 6–8 раз легче нуклона. «Мезон» (от греческого «мезос» – «средний») – так нарекли потом этого гипотетического «невидимку», которому суждено было еще некоторое время скрываться от физиков, пока, наконец, он не попался им в сети из потока космических лучей.

Вскоре Юкава разработал теорию мезонного поля, за что в 1949 году удостоился Нобелевской премии.

По представлениям Юкавы, внутри ядра протон и нейтрон непрерывно обмениваются заряженными 98 мезонами, превращаясь друг в друга. Нейтрон с нейтроном, как и протон с протоном, тоже перебрасываются мезонами, но уже нейтральными.

Говоря об истоках этой замечательной теории в ее сорокалетний юбилей (1945 год), японский физик профессор Ш. Саката, ученик X. Юкавы, отдаст должное работам советских ученых: «Мало кто пытался вскрыть сущность ядерных сил. До профессора Юкавы мы можем назвать только Тамма и Иваненко».