Беседы об атомном ядре

Научно-техническая революция, победно шествующая по развитым странам мира, привела в движение столь огромные производительные силы, что человек обрел ничем не ограниченную власть над природой. За короткий промежуток времени он превратился из «царя природы» в ее разрушителя и раба своих потребностей.

Добывание энергии во все больших масштабах — один из серьезнейших факторов, работающих против человека. Если в начале века речь могла идти только о возникновении локальных экологических (экология — наука о взаимодействии организма с окружающей средой) кризисов, то сегодня серьезные опасения внушают взаимоотношения человеческого общества с природой в целом (то есть возможность наступления глобального экологического кризиса).

При сжигании в топках тепловых электростанций угля, нефти или газа в атмосфере непрерывно увеличивается концентрация окиси углерода. Земля, получая свою долю световой энергии от Солнца, рассеивает в пространство некоторую ее часть в виде инфракрасного излучения. Загрязненная атмосфера гораздо хуже пропускает потоки инфракрасных фотонов. Она, как подушка, прикрывает нашу планету и способствует ее перегреву. Возникает так называемый парниковый, или оранжерейный, эффект.

Член-корреспондент АН СССР М. Будыко показал, это произойдет, если средняя температура на Земле повысится хотя бы на один градус или даже на полградуса. Столь небольшое, но повсеместное подрастание температуры может привести к уменьшению ее градиента между экваториальными и полярными областями. Это выравнивание сразу вызовет ослабление скорости циркуляции воздушных масс между экваториальными и полярными широтами. Резко снизится количество осадков в средних широтах и ускорится рост пустынь. И все эти изменения могут произойти за весьма короткий срок, равный длительности жизни одного поколения.

Конечно, это предположение, но оно достаточно обоснованно и вполне может осуществиться, если человечество не примет соответствующих мер.

Одна из них — широкое использование фундаментального открытия физиков: цепной реакции деления ядер урана.

Решительный шаг в этом направлении был сделал в Советской стране, где были разработаны основы мирной ядерной энергетики. Первая в мире атомная электростанция в Обнинске открыла новую эру в энерготехнике. Сейчас ядерная энергетика развивается такими темпами, что, по-видимому, к концу нашего века более 30 процентов всей добываемой в мире электроэнергии будут давать атомные электростанции. Надолго ли хватит ядерного горючего?

Этот вполне резонный вопрос давно волнует и ученых, непосредственно решающих проблемы ядерной энергетики, и тех, кто занимается фундаментальными исследованиями. Несмотря на большие запасы в природе делящихся элементов, в ядерных реакторах используется лишь незначительная их часть. Связано это с особенностью ядерной реакции деления изотопа урана-235. Только его ядра делятся нейтронами, которые получили название «тепловых», то есть замедленных до тепловых скоростей окружающих молекул.

Изотоп урана-238 для реакции деления требует нейтроны с энергией около одного миллиона электрон-вольт. В реакторе, где в качестве горючего применяется только уран-238, нейтроны, испускаемые делящимися ядрами, тормозятся в веществе до нескольких тысяч электрон-вольт и теряют способность вызвать реакцию деления других ядер урана-238, и цепная реакция глохнет очень быстро.

Итак, необходимого для ядерной энергетики изотопа урана-235 очень мало в природе, его едва хватит до начала следующего века, а урана-238, наоборот, сколько угодно, но он в реакторе не делится. Глубокое изучение свойств атомных ядер помогло найти несколько принципиальных решений проблемы ядерного горючего. Поглощая нейтроны, ядра урана-238 после нескольких радиоактивных распадов превращаются в ядро изотопа плутония-239, который обладает теми же делящимися свойствами, что и уран-235. Но где взять столько нейтронов, чтобы наработать необходимое количество ядерного топлива?

Прежде всего не стоит терять те нейтроны, что рождаются в реакторе при делении ядер урана-235. Уже созданы первые установки, так называемые реакторы на быстрых нейтронах, которые выполняют сразу две функции: вырабатывают энергию и превращают «негорючий» уран-238 в полноценное ядерное топливо. Благодаря особой конструкции этих реакторов та часть нейтронов, возникающих в момент деления ядер урана-235, которая не принимает участия в цепных реакциях, улавливается ураном-238.

Но проблема в целом еще не решена. Потребуется немало усилий ученых и конструкторов, чтобы скорость выработки ядерного горючего соответствовала бы скорости развития энергетики.

Со своей стороны физики, занятые исследованиями фундаментальных свойств атомных ядер, предлагают новые способы получения «горючих» ядерных материалов. Один из них — электроядерный. Он предполагает соединение ускорителя протонов с ядерным реактором в единую систему. В ней уран-238 превращается в плутоний-239, который при делении в реакторе и отдает энергию.