Люди и атомы

Лоуренс Уильям Л.

И, как мы узнали спустя семь лет, нептуний существует немногим более двух дней. Один из его 146 нейтронов выбрасывает отрицательный электрон и становится протоном, таким образом увеличивая число протонов в ядре до 94. Другими словами, 93-й элемент — нептуний — спонтанно, т. е. самопроизвольно, превращается в 94-й (искусственный) элемент— плутоний.

Сейчас нет сомнений в том, что эти новые трансурановые элементы и были получены в приборе Ферми. Действительно, не только чисто теоретические рассуждения, но и предварительный химический анализ, казалось, ясно показывали, что создан 93-й элемент — элемент, расположенный за ураном. Однако

Ферми был глубоко смущен, когда в мировой прессе появились сообщения, в которых говорилось о получении 93-го элемента как о безусловном факте. (В заголовке статьи на две колонки «Нью- Йорк тайме» писала: «Итальянец создает 93-й элемент бомбардировкой урана».)

Ферми искал более веское доказательство того, что им действительно создан 93-й элемент. Но чем больше опытов он проводил, тем более непонятным казалось явление. Вместо одного или двух элементов появилось множество, по-видимому, новых радиоактивных веществ, которые не поддавались идентификации.

На самом деле, как мы узнали через пять лет, в лаборатории Ферми произошло несколько исключительно важных явлений. Некоторые нейтроны проникли в ядро урана-238 и превратили его в 93-й элемент (нептуний), который спонтанно превратился через два дня в 94-й элемент (плутоний).

Но многие нейтроны не проникли в ядро урана-238. Вместо этого они попали в ядро- гораздо более редкой разновидности (изотопа) урана с атомным весом 235, на которую приходится лишь 0,7% природного урана. А когда нейтрон попадает в ядро урана-235, природа, действительно, сходит с ума. Нейтрон вместо того, чтобы остаться внутри ядра, превратив его в более тяжелый элемент, расщепляет ядро на две неравные части, создавая таким образом два легких элемента из одного тяжелого. Применяя современную терминологию, можно сказать, что ядро урана-235 делится, и это деление сопровождается выделением чудовищного количества ядерной энергии — энергии, которая требовалась, чтобы удерживать вместе две части ядра урана-235.

В ядре урана-235 92 протона могут быть разделены по-разному (например, 47—45, 48—44, 49—43, 50—42, 51—41, 56—36 и т. д.), поэтому при расщеплении ядра даже одного тяжелого элемента можно получить более тридцати легких элементов. А так как 143 нейтрона ядра урана-235 также можно расщепить по-разному — такое же количество протонов может быть соединено с различным количеством нейтронов,— то в результате при делении ядра урана можно создать до девяноста радиоактивных изотопов.

Когда Ферми проводил свои первые опыты, не было даже известно о существовании урана-235. Лишь в 1935 г., через год после исследований Ферми, было впервые открыто существование этого элемента — единственного элемента, сделавшего возможным наступление атомного века.

Это открытие должно стоять в ряду самых важных открытий в современной истории, потому что без этого изотопа было бы невозможно применять энергию атома, которая навсегда осталась бы недосягаемой. И, однако, лишь немногие знают имя открывателя, скромного пионера в искусстве определения редких изотопов природы— Артура Дж. Демпстера — профессора физики Чикагского университета.

Мир не обратил особого внимания на кончину этого физика-канадца 11 марта 1950 г., в возрасте 63 лет. Но без его открытия наступление атомного века было бы отложено на несколько лет. Когда-нибудь человечество воздвигнет памятник этому скромному труженику науки за его открытие ключевого изотопа атомного века.

Хотя Ферми, проводя

опыты с ураном, не знал о существовании урана-235 и обнаружил его лишь через год, это ни в коей мере не умаляет значения Великого Чуда 1934 г. Даже ничего не зная о существовании урана-235, ученые разработали средства, которые, если бы их применили, привели бы к открытию уранового деления уже в 1934 г.

В лабораториях всего мира физики, повторяя опыты Ферми, самоотверженно трудились, стараясь пролить свет на странные шутки, которые выкидывала природа.

Ученые полагали, что из урана в экспериментальной камере получены новые элементы, но как они ни старались, все же не могли идентифицировать эти элементы. Физики считали, что эти элементы тяжелее урана, в то время как на самом деле они были элементами, вес которых составлял примерно половину атомного веса урана,— потомство урана, размножившееся делением, подобно живым клеткам.

ГЛАВА 38

Атомный Феникс

Разница между ядерным реактором и атомной бомбой заключается в том, что цепная реакция в бомбе, содержащей высококонцентрированный расщепляющийся материал, происходит за одну миллионную долю секунды, и вся энергия высвобождается в тысячу раз быстрее, чем при взрыве тротила. В ядерном же реакторе нейтроны замедляются с помощью замедлителя, например графита, так что энергия высвобождается на сравнительно небольшой регулируемой скорости.

Таким образом, атомная бомба — это неконтролируемый ядерный реактор. И, наоборот, ядерный реактор — это атомная бомба, находящаяся под контролем.

При расщеплении ядра тяжелого элемента на два легких элемента около 0,1% массы тяжелого атома превращается в ядерную энергию. Элемент, который может быть расщеплен таким образом, носит название делящегося элемента, или ядерного топлива.

Один килограмм ядерного топлива эквивалентен 23 миллиардам килокалорий, в то время как один килограмм высокосортного угля выделяет всего 7780 килокалорий. Другими словами, один килограмм ядерного топлива по энергетическому содержанию эквивалентен трем миллионам килограммов, или 3000 тонн высокосортного угля. Как взрывчатое вещество один килограмм ядерного топлива эквивалентен 20 000 тонн тротила.

Природа снабдила нас единственным видом естественного ядерного топлива — ураном-235. Кроме того, существуют еще два искусственно полученных вида ядерного топлива — плутоний и уран-233. Они созданы из двух неделящихся элементов — урана-238 и тория.

Уран, находящийся в природе, состоит из смеси двух разновидностей (изотопов) в соотношении 140 частей урана-238 на одну часть урана-235.

Другими словами, природа дает лишь 0,7% делящегося урана на 99,3% неделящегося. Таким образом, в одной тонне природного урана содержится лишь около 6,3 килограмма урана-235.

В ядерном реакторе, или атомном котле, уран-235 расщепляется нейтроном. Этот первый нейтрон может быть обусловлен космическим излучением Вселенной. Он служит искрой, которая зажигает ядерный огонь.

Каждое ядро урана-235 при расщеплении выделяет энергию в виде тепла, в три миллиона раз большую, чем энергия, выделяемая эквивалентным количеством угля. Кроме того, при этом освобождается в среднем 2,5 нейтрона, которые расщепляют новые атомы, т. е., в свою очередь, выделяют новые нейтроны и, таким образом, продолжают цепную реакцию. В отличие от обычного горения для этого процесса не требуется кислорода.