Могучая энергия

Вторая мировая война подходила к концу. Победоносная Советская Армия, разгромив гитлеровские фашистские полчища, наносила решающие и стремительные удары по войскам агрессивной Японии. Мир ожидал близкой развязки.

И вот, в августе 1945 года, когда исход войны был предрешен, над японским городом Хиросима с американского самолета была сброшена бомба необычайной силы. Невиданная ранее сила взрыва смела с лица земли многолюдный город, погубив в огне и развалинах около двухсот тысяч жителей.

Мир был потрясен и силой новой бомбы, о которой стало известно, что она основана на использовании атомной энергии, и бессмысленным, бесчеловечным способом ее применения. Атомная бомба, первыми жертвами которой стали сотни тысяч горожан, представилась миру как грозное предзнаменование небывалых ужасов будущих войн, где стиралась разница между фронтом и тылом.

Народы всех стран, обеспокоенные судьбами человечества, повели длительную и неустанную борьбу за запрещение атомной бомбы, за использование новой могучей энергии в мирных целях.

«Не разрушать, а созидать с помощью могучей атомной энергии!» — вот что написано на знаменах борцов за мир.

Что же это за энергия? Почему она обладает такою мощью? Где таится секрет получения этой энергии? Почему до сих пор, на протяжении всей истории своей, человечество не могло воспользоваться ее необычайными возможностями?

Не могло?

Впрочем, это не совсем так, даже совсем не так. В действительности человечество именно с самого своего зарождения пользуется одним из проявлений атомной энергии — энергией Солнца. Миллиарды лет Солнце посылает тепло и свет, согревая Землю, вселяя в нее жизнь. Миллионы лет человечество не знало, откуда берется такой неиссякаемый запас энергии. Религия объясняла это сверхъестественными, недоступными человеческому разуму, силами богов. Ученые же искали научное объяснение. Еще совсем недавно считали, что Солнце — гигантский раскаленный шар, медленно, миллиарды лет, остывающий. Но трудно было объяснить, — что же это за шар, как он устроен, откуда у него такие запасы тепла?

Ведь чтобы выработать столько энергии, сколько излучает Солнце, пришлось бы построить 180 000 000 миллиардов таких электростанций, как Куйбышевская!

И только в последние годы, после того как были разгаданы тайны атома, ученые начали понимать и природу Солнца. Оказалось, что на Солнце происходит непрерывный процесс выделения колоссальной атомной энергии. Благодатные солнечные лучи, которым мы так рады и зимой и летом, несут нам тепло и свет — результат гигантского производства атомной энергии на Солнце. Но ведь и любой уже знакомый нам вид энергии — энергия воды, энергия ветра, тепло сгорания топлива — тоже обязан своим происхождением Солнцу!

Значит, человечество уже давно пользовалось атомной энергией… Но получать ее непосредственно — не через солнечные излучения, а так же, как на самом Солнце, — человек не умел. И лишь в наши дни наука, наконец, постигла некоторые секреты получения атомной энергии. Открылись возможности практического использования этой энергии.

Атомную энергию следовало бы именовать, более точно, ядерной энергией. Именно в ядрах всех атомов и таится огромнейший запас энергии.

Мы уже говорили о силах, связывающих протоны и нейтроны в тесные группки, которые и представляют собой компактные, плотные ядра атомов. Чтобы разорвать ядерные силы, нужно попасть каким-либо «снарядиком» в ядро. При этом освобожденные протоны и нейтроны под действием электрических сил отлетят с огромными скоростями. Долго ученые искали нужные «снарядики». Вначале бомбардировку вели ?-частицами, то есть положительно заряженными ядрами гелия (2 протона + 2 нейтрона). Но попасть в ядро любого атома оказалось при этом весьма сложно: положительно заряженные ?-частицы отталкивались положительно заряженными ядрами. И, лишь разогнав ?-частицы до чрезвычайно больших скоростей, удавалось добраться до ядра, пробив блокаду электрического поля. Но отдельные попадания завершались либо «застреванием» протонов и, следовательно, превращением одного элемента в другой, либо выбиванием протона, что также вело к «чудесным превращениям». Выход энергии же оказывался незначительным, — не окупались затраты энергии на бомбардировку.

Говоря об энергии, мы подразумевали прежде всего кинетическую энергию тех осколков, тех частичек, которые отлетают от ядра под влиянием сил электрического отталкивания (после того, как ядерные силы окажутся ослабленными) с. колоссальнейшими скоростями. Такие «осколки» могут пролетать расстояние от Земли до Луны менее чем в полминуты. При подобных скоростях и «осколки» и среда, в которой они летят, нагреваются. Происходит превращение кинетической энергии в тепловую. А тепловую энергию уже можно использовать для многих нужд.

Однако получить в достаточном количестве тепловую энергию бомбардировкой ядер, как уже сказано, оказалось затруднительным, да и не выгодным. Положение не изменилось и тогда, когда ученые вместо ?-частиц стали использовать новые «снарядики» — нейтроны. Правда, теперь уже не требовалось затрачивать много энергии на разгон «снарядиков» в специальных устройствах, так как незаряженные нейтроны не отталкивались ядрами. Но сами нейтроны оказались дефицитными «снарядиками», — их надо было получать с помощью тех же ?-частиц. Приходилось создавать «двойные пушки».

Так долгое время вопрос о практическом использовании атомной энергии, то есть о выделении ее в достаточном количестве, оставался нерешенным.

Но вот в 1939 году ученые, вооруженные нейтральными «снарядиками», попробовали обстрелять ядра тяжелых элементов таблицы Менделеева.

Нейтронам не опасны большие заряды положительного электричества, которые несут ядра тяжелых элементов, а, с другой стороны, в эти ядра легче попасть, — они большие по объему. И тут-то выяснилось интересное явление: если нейтрон попадал в ядро самого тяжелого элемента — урана, это ядро раскалывалось почти на две равные части. Осколки при этом разлетались с огромными скоростями, оттолкнув друг друга. Кроме осколков, которые представляли собой теперь ядра новых элементов, относящихся к средней части таблицы Менделеева (кобальта, цезия, бария, криптона и других), при делении ядра урана вылетали с большими скоростями 2–3 свободных нейтрона.

Это было очень важным открытием. Его тщательно изучали крупнейшие физики мира; трудами итальянского ученого Ферми, немецких ученых Гана и Штрассмана, французских ученых Жолио-Кюри и советского ученого Френкеля было доказано, что в реакции деления ядер урана лежит возможность практического получения атомной энергии.

«Нужно лишь создать условия, — говорили ученые, — при которых происходила бы „цепная реакция“ деления ядер урана».

«Цепная реакция»? Но что это значит? При чем тут цепь?

Оказывается, именно в цепочке-то и состоит всё дело. Допустим, что в какой-то кусочек урана попал «снарядик» — нейтрон — и одно ядро разделилось. Но ведь при этом образовалось три новых «снарядика»! Что, если каждый из них попадет в новые ядра? Теперь уже разделятся сразу три ядра и при этом появятся девять новых «снарядиков». А эти девять, далее, в свою очередь, разделят девять новых ядер, откуда вылетят двадцать семь «снарядиков», и т. д. «Огневая мощь» атомной артиллерии будет всё возрастать и возрастать, как это показано на рисунке.

Такая реакция, которая охватывает всё новые и новые соседние ядра и при этом развивается всё в более крупных масштабах, и названа «цепной ядерной реакцией».

Так происходит цепная реакция деления ядер урана.

Стоит попасть одному нейтрону, как неудержимая лавина нейтронов, всё нарастая и нарастая, разделит огромное количество ядер. Вот теперь разлетающиеся осколки, количество которых неисчислимо, вызовут выделение колоссального количества тепла.

Но не во всяком кусочке урана такая реакция возможна. В маленьком кусочке многие нейтроны могут, не встретив ядра на своем пути, вылететь за его пределы. И лишь в сравнительно больших кусках — куда бы нейтрон ни полетел, он всюду встретит новое ядро. Наименьшая масса, при которой возможна «цепная реакция», называется «критической массой».

Первая атомная бомба, сброшенная над Японией, состояла из двух кусков урана, которые вместе составляли «критическую массу» примерно в 1 килограмм. Для взрыва особым способом оба куска мгновенно сближались, и быстро развившаяся цепная реакция вызвала выделение тепловой энергии огромной мощности.

Но ведь, кроме сближения двух кусков урана, следовало их «поджечь», — выстрелить нейтроном?

Оказывается, даже и в этом нет необходимости. Советские физики Г. Н. Флеров и К. А. Петржак обнаружили, что ядра урана могут и сами, без всякого обстрела, делиться на осколки с высвобождением нейтронов. Значит, как только образовалась «критическая масса», нейтроны, вылетевшие из первого же разделившегося ядра, начинают цепную реакцию.

И вот в Хиросиме, ценою многих человеческих жизней, погибших по вине тех, кто решил применить атомную бомбу, человечество впервые убедилось в реальной возможности получения могучей энергии атома.

Но использовать в мирных целях тот же способ «критической массы» с мгновенным выделением колоссальной энергии, конечно, нельзя.

И следующим этапом развития научных работ явился этап изыскания путей выработки атомной энергии для мирных целей. Крупный вклад в разработку этих вопросов внесли ученые Советского Союза, представители новой, самой человечной, самой прогрессивной, социалистической науки.

Но, прежде чем перейти к рассказу о том, как удалось атомную энергию заставить приводить в движение станки и освещать дома, вернемся к Солнцу.

Выше было сказано, что солнечная энергия — энергия ядерная. Но неужто там, на Солнце, всё время происходят деления урановых ядер?

Нет, оказывается, атомную энергию можно выделить и не только делением ядер тяжелых элементов. Огромная энергия может быть получена и при слиянии ядер легких элементов. Правда, такой способ сложнее и его осуществить удалось лишь в дальнейшем, когда наука овладела способом деления урановых ядер.

Ведь как совершается химическая реакция окисления, которую мы обычно называем горением?

Вот, скажем, лежит полено дров. Сухое, березовое, а само не воспламеняется. Стоит, однако, поднести спичку и на одном небольшом участке нагреть полено, как древесина, получив со стороны, от спички, необходимое тепло, окажется в состоянии вступить в химическую реакцию с кислородом. А при такой реакции начнет выделяться еще большее количество тепла. Появится пламя, нагревающее соседний участок полена, — и горение начнется.

Нечто подобное может произойти и с ядрами легких элементов.

Если вначале их сильно нагреть, они начнут двигаться с большими скоростями, налетать друг на друга и при очень сильном сближении, когда ядерные связи вступят в действие, сливаться в новые ядра. Однако здесь теплом серной спички ничего не добьешься. Для таких реакций слияния требуется нагрев до миллионов градусов. Эти реакции получили название «термоядерных».

В настоящее время уже удалось произвести и термоядерные реакции, в результате которых при слиянии ядер, например тяжелого водорода, может быть выделена в тысячу раз большая энергия, чем при делении ядер урана.

«Спичкой» в такой реакции служит урановая бомба, при взрыве которой как раз и создается температура в несколько миллионов градусов.

В качестве ядер легких элементов для такой реакции сейчас применяют ядра тяжелого водорода. Эти ядра, в отличие от обычного водорода, кроме одного протона, содержат еще один нейтрон. Тяжелый водород получается из тяжелой воды, а тяжелая вода в небольшом количестве содержится в составе обычной воды.

Во время термоядерной реакции два ядра тяжелого водорода, слившись, образуют ядро гелия и выделяют при этом огромную энергию.

На термоядерной реакции основан принцип действия «водородной бомбы», которая содержит в себе известное количество тяжелого водорода и урановую бомбу, нужную как взрыватель.

Мощность «водородной» бомбы теоретически беспредельна. Здесь нет «критической массы», и, чем больше приготовлено тяжелого водорода, тем сильнее окажется действие бомбы. Кроме того, и сам выход энергии здесь больше: килограмм водорода, превращаясь таким путем в гелий, выделяет в несколько раз больше энергии, чем килограмм полностью разделившегося урана.

На Солнце, как установили ученые, как раз и происходит непрерывная термоядерная реакция с образованием газа «гелия», который свое наименование («солнечный») получил оттого, что он впервые в большом количестве был обнаружен в составе газов, окружающих Солнце. Солнце — своеобразная водородная бомба, но замедленного действия.

Для промышленных нужд наука еще не нашла способов использования термоядерных реакций. Еще не открыты возможности получения замедленных термоядерных процессов в земных условиях. Еще не научились создавать «искусственные солнца»…

Но вот энергия деления урановых ядер уже освоена. И первое промышленное применение она получила у нас, в советской стране. В четверг 1 июля 1954 года во всех газетах Советского Союза было опубликовано следующее сообщение Совета Министров СССР:

«О ПУСКЕ В СССР ПЕРВОЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ НА АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ

В настоящее время в Советском Союзе усилиями советских ученых и инженеров успешно завершены работы по проектированию и строительству первой промышленной электростанции на атомной энергии полезной мощностью в 5000 киловатт.

27 июня 1954 года атомная электростанция была пущена в эксплоатацию и дала электрический ток для промышленности и сельского хозяйства прилегающих районов.

Впервые промышленная турбина работает не за счет сжигания угля или других видов топлива, а за счет атомной энергии расщепления ядра атома урана.

Вводом в действие атомной электростанции сделан реальный шаг в деле мирного использования атомной энергии.

Советскими учеными и инженерами ведутся работы по созданию промышленной электростанции на атомной энергии мощностью 50—100 тысяч киловатт.

Первый атомный двигатель, работающий для нужд промышленности и сельского хозяйства, пущен! Его родина — Советский Союз».

Как же удалось ученым и инженерам обуздать атомную энергию?

Как работает атомный двигатель и каковы его перспективы? Достаточны ли, наконец, запасы «атомного горючего»?