Неосяжна енергія крихітного атома
«Хороша наука - фізика! Тільки життя коротке ». Ці слова належать вченому, який зробив у фізиці дивно багато. Їх якось сказав академік Ігор Васильович Курчатов. творець першої в світі атомної електростанції.
Шлях до оволодіння енергією атома був довгим і нелегким. Почався він в перші десятиліття XX століття з відкриття природної радіоактивності подружжям Кюрі, з постулатів Бора, планетарної моделі атома Резерфорда і докази такого, як зараз здається, очевидного факту - ядро будь-якого атома складається з позитивно заряджених протонів і нейтральних нейтронів.
У 1934 році подружжя Фредерік і Ірен Жоліо-Кюрі (дочка Марі Склодовської-Кюрі і П'єра Кюрі) виявили, що бомбардуванням альфа-частками (ядрами атомів гелію) можна перетворити звичайні хімічні елементи в радіоактивні. Нове явище отримало назву штучної радіоактивності.
І. В. Курчатов (праворуч) і А. І. Алиханов (в центрі) зі своїм учителем А. Ф. Іоффе. (Початок 30-х років.)
Якщо таке бомбардування вести дуже швидкими і важкими частинками, то починається каскад хімічних перетворень. Елементи зі штучною радіоактивністю поступово поступляться своїм місцем стабільним елементам, які вже не будуть розпадатися.
За допомогою опромінення або бомбардування легко зробити дійсністю мрію алхіміків - виготовити золото з інших хімічних елементів. Тільки вартість такого перетворення значно перевищить ціну отриманого золота ...
Поділ ядер урану
Більше користі (і, на жаль, тривог) принесло людству відкрите в 1938-1939 роках групою німецьких фізиків і хіміків ділення ядер урану. При опроміненні нейтронами важкі ядра урану розпадаються на більш легкі хімічні елементи, що належать до середньої частини періодичної системи Менделєєва, і виділяють кілька нейтронів. Для ядер легких елементів ці нейтрони виявляються зайвими ... При «розколюванні» ядер урану може початися ланцюгова реакція: кожен з двох трьох отриманих нейтронів здатний в свою чергу привести на світ кілька нейтронів, потрапивши в ядро сусіднього атома.
Загальна маса продуктів такої ядерної реакції виявилася, як підрахували вчені, менше маси ядер вихідної речовини - урану.
За рівняння Ейнштейна, що зв'язує масу з енергією, можна легко визначити, що при цьому повинна виділитися величезна енергія! Причому відбудеться це за мізерно малий час. Якщо, звичайно, ланцюгова реакція стане некерованою і пройде до кінця ...
На прогулянці після конференції Е. Фермі (праворуч) зі своїм учнем Б. Понтекорво. (Базель, 1949 г.)
Величезні фізичні і технічні можливості, приховані в процесі розподілу урану, одним з перших оцінив Енріко Фермі. в ті далекі тридцяті роки нашого століття ще дуже молодий, але вже визнаний глава італійської школи фізиків. Задовго до Другої світової війни він з групою талановитих співробітників досліджував поведінку різних речовин при нейтронном опроміненні і визначив, що ефективність процесу розподілу урану можна значно підвищити ... уповільнивши рух нейтронів. Як це не дивно на перший погляд, при зменшенні швидкості нейтронів збільшується ймовірність їх захоплення ядрами урану. Ефективними «сповільнювачами» нейтронів служать цілком доступні речовини: парафін, вуглець, вода ...
Переїхавши в США, Фермі продовжував бути мозком і серцем проведених там ядерних досліджень. Два обдарування, зазвичай виключають один одного, поєднувалися в Фермі: видатного теоретика і блискучого експериментатора. «Пройде ще дуже багато часу, перш ніж ми зможемо побачити рівного йому людини», - писав великий вчений У. Зінн після передчасної кончини Фермі від злоякісної пухлини в 1954 році у віці 53 років.
Колектив вчених, які згуртувалися навколо Фермі в роки другої світової війни, вирішив на основі ланцюгової реакції розподілу урану створити зброю небаченої руйнівної сили - атомну бомбу. Вчені поспішали: раптом нацистська Німеччина зуміє раніше за всіх виготовити нову зброю і використовує його в своєму нелюдське прагненні до поневолення інших народів?
Будівництво в нашій країні атомного реактора
Вченим вдалося вже в 1942 році зібрати і запустити на території стадіону університету Чікаго перший атомний реактор. Стрижні з урану в реакторі перемежовувалися вугільними «цеглинами» - сповільнювачами, а якщо ланцюгова реакція все ж ставала надто бурхливої, її можна було швидко зупинити, ввівши в реактор пластини з кадмію, роз'єднував уранові стрижні і повністю поглинали нейтрони.
Дослідники дуже пишалися придуманими ними простими пристосуваннями до реактору, які зараз викликають у нас посмішку. Один із співробітників Фермі в Чикаго, відомий фізик Г. Андерсон згадує, що кадмієві жесть прибивали до дерев'яного бруска, який при необхідності миттєво опускався в котел під дією власної ваги, що послужило приводом дати йому назву «мить». Г. Андерсон пише: «Перед запуском котла цей стрижень слід витягнути наверх і закріпити мотузкою. При аварії мотузку можна було б перерізати і «мить» зайняв би своє місце всередині котла ».
На атомному реакторі була отримана керована ланцюгова реакція, перевірені теоретичні розрахунки і передбачення. У реакторі йшла ланцюг хімічних перетворень, в результаті яких накопичувався новий хімічний елемент - плутоній. Його, як і уран, можна використовувати для створення атомної бомби.
Вчені визначили, що існує «критична маса» урану або плутонію. Якщо атомного речовини досить багато, ланцюгова реакція призводить до вибуху, якщо мало, менше «критичної маси», то відбувається просто виділення тепла.
Будівництво атомної електростанції
В атомній бомбі найпростішої конструкції покладені поруч два шматка урану чи плутонію, причому маса кожного трохи не "дотягує" до критичної. У потрібний момент запал зі звичайного вибухової речовини з'єднує шматки, маса атомного пального перевищує критичне значення - і виділення руйнівною енергії жахливої сили відбувається миттєво ...
Сліпуче світлове випромінювання, ударна хвиля, змітає все на своєму шляху, і проникаюче радіоактивне випромінювання обрушилися на мешканців двох японських міст - Хіросіми і Нагасакі - після вибуху американських атомних бомб у 1945 році, поселивши з тих пір в серцях людей тривогу перед страшними наслідками застосування атомної зброї.
Під об'єднуючим науковим початком І. В. Курчатова радянські фізики розробили атомну зброю.
Але керівник цих робіт не переставав думати і про мирне використання атомної енергії. Адже атомний реактор доводиться інтенсивно охолоджувати, чому ж це тепло не «віддати» парової або газової турбіни, що не застосувати для обігріву будинків?
Через атомний реактор пропустили трубки з рідким легкоплавким металом. Розігрітий метал надходив в теплообмінник, де передавав своє тепло воді. Вода перетворювалася в перегрітий пар, починала працювати турбіна. Реактор оточили захисною оболонкою з бетону з металевим наповнювачем: радіоактивне випромінювання не повинно вириватися назовні.
Атомний реактор перетворився в атомну електростанцію, яка несе людям спокійний світло, затишне тепло, бажаний світ ...