Уильям Лоуренс - Люди и атомы

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.

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.

В ядерном реакторе около половины нейтронов, освобождаемых в процессе деления, идет на поддержание цепной реакции, т. е. на расщепление других атомов урана-235 и, следовательно, на выделение тепла. Другая половина попадает в ядро неделящегося урана-238.

Когда нейтрон попадает в ядро атома урана-238, он превращает его в новый элемент — плутоний, не существующий в природе. Таким образом, плутоний является делящимся элементом, который, как и уран-235, расщепляется нейтронами. Аналогичным образом, когда нейтрон попадает в торий, тот превращается в делящийся изотоп — уран-233, не существующий в природе.