Владислав Пристинский - 100 знаменитых изобретений
После открытия искусственной радиоактивности ученые всего мира начали интенсивно изучать элементарные частицы и ядерные реакции. В 30-е годы XX в. были заложены принципиальные основы новой отрасли техники. Важную роль сыграло изучение процесса ядерных цепных реакций.
В 1939 г. немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрасман сообщили об открытии нового явления – деления атомных ядер урана под действием медленных нейтронов. Вскоре было установлено, что это деление происходит по закону цепной реакции. Нейтроны, попадая в ядра урана с атомным весом 235, не только разрушали их, но при определенных условиях вызывали появление новых нейтронов. Те, в свою очередь, разрушали последующие ядра урана и таким образом обеспечивали цепную реакцию, идущую с выделением колоссальной энергии. Среди конечных элементов облучения ученые обнаружили барий и молибден. Так было установлено, что ядро урана раскалывается на более легкие ядра. Этот процесс назвали расщеплением ядра. Позже он получил название «деление».
Опыты Ф. Жолио-Кюри показали, что при делении урана выделяется громадное количество энергии. Осколки ядер урана были обнаружены на расстоянии 3 мм от места их деления, что свидетельствовало о ядерном взрыве.
В 1940 г. советские ученые Г. Флеров и К. Петржак открыли самопроизвольное деление урана.
В декабре 1942 г. в Чикагском университете Э. Ферми впервые удалось осуществить ядерную цепную реакцию в первом ядерном реакторе с графитовым замедлителем нейтронов и естественным ураном-235. Технология производства урана-235 была крайне сложна, ибо в общей массе естественного урана этот изотоп составляет лишь 0,72 %, а остальное приходится на уран с атомным весом 238 (99,2 %) и отчасти – 234. Разница между изотопами урана в том, что уран-238 в отличие от урана-235 не делится медленными или, как их еще называют, тепловыми нейтронами. Он поглощает эти частицы, как и быстрые нейтроны, не успевшие отдать свою энергию в процессе замедления.
В связи с этим возникла проблема разделения двух изотопов урана.
В США был разработан так называемый «Манхэттенский проект». Этот проект ознаменовал создание атомного оружия. В проекте принимали участие выдающиеся европейские ученые, которые, спасаясь от фашистов, эмигрировали в Америку. Среди них были А. Эйнштейн, Э. Ферми и др.
Первое практическое использование неконтролируемой ядерной реакции было осуществлено в рамках «Манхэттенского проекта» 16 июля 1945 г., когда в штате Нью-Мексико была взорвана опытная атомная бомба.
6 августа 1945 г. на японский город Хиросима американцы сбросили первую атомную бомбу «Малыш» с урановым зарядом. 9 августа атомной бомбардировке подвергся другой японский город, Нагасаки. Он пострадал от взрыва «Толстяка» с зарядом из плутония – трансуранового элемента, синтезированного в 1941 г. группой американских ученых под руководством Г. Сиборга. Мощность обоих взрывов равнялась примерно 20 килотоннам в тротиловом эквиваленте.
В Хиросиме в результате взрыва погибло свыше 140 тысяч человек, в Нагасаки – около 75 тысяч человек. Тысячи людей получили большие дозы радиоактивного облучения и заболели лучевой болезнью.
Ядерный взрыв характеризуется пятью поражающими факторами. Ударная волна воздействует на все объекты, встречающиеся на ее пути, разрушая здания в радиусе нескольких километров от эпицентра взрыва; световое излучение оплавляет, деформирует и воспламеняет материалы и вызывает у людей ожоги различной степени тяжести в зависимости от расстояния до эпицентра; после взрыва в течение 10–15 секунд возникает поток гамма-излучения и нейтронов – проникающая радиация (она-то и вызывает возникновение лучевой болезни); подобное воздействие имеет и радиоактивное заражение местности: оно происходит в результате выпадения радиоактивных веществ из облака ядерного взрыва и радиации, обусловленной образованием радиоактивных изотопов под воздействием нейтронного и гамма-излучения. В отличие от проникающей радиации, радиоактивное заражение местности сохраняется на протяжении длительного времени; последним поражающим фактором является электромагнитный импульс, воздействующий на антенны, провода, средства связи – в них наводится электрическое напряжение, повреждающее эти устройства.
США пытались использовать монополию на ядерное оружие, чтобы диктовать условия другим странам. Над разработкой атомной бомбы в Советском Союзе работала группа ученых под руководством И. В. Курчатова. Результатом их работы стал произведенный в 1949 г. в СССР атомный взрыв.
В США ускорили работы над термоядерной (водородной) бомбой. Взрыв ядерного заряда в бомбе вызывает термоядерную реакцию, подобную происходящей на Солнце и других звездах. Водород в звездных недрах постоянно находится под воздействием высочайших температур, что способствует превращению его в другой элемент – гелий – с выделением огромного количества энергии. О выделяющейся при реакциях энергии можно судить по следующим цифрам: при синтезе 1 кг тяжелого водорода (дейтерия) выделяется такая же энергия, как и при сжигании 8–12 т каменного угля.
1 ноября 1952 г. на атолле Эниветок американцы взорвали термоядерное устройство мощностью 3 мегатонны. 12 августа 1953 г. в Советском Союзе на Семипалатинском полигоне была взорвана водородная бомба. В 1954 г. американцы провели новое испытание водородной бомбы на атолле Бикини.
В 50–60 гг. прошлого века ядерные боеприпасы были созданы и испытаны в Великобритании (в 1952 г.), Франции (в 1960 г.), Китае (в 1964 г.). Термоядерное оружие появилось в Великобритании в 1957 г., в Китае в 1967 г., во Франции в 1968 г. Мощность термоядерного заряда может достигать 20 и более мегатонн.
В 1950–1960 годы появились совершенные средства доставки ядерных боеприпасов к цели. Это ракеты, базирующиеся в шахтах на передвижных ракетных установках, расположенных на автомобилях и железнодорожных платформах. Помимо того, ядерными ракетами вооружены стратегические атомные подводные лодки. Атомные и термоядерные заряды также могут доставляться стратегическими бомбардировщиками.
Начиная с 50-х годов прошлого века страны, имевшие ядерное оружие, проводили испытания этого оружия на специальных полигонах. Цель – совершенствование этого смертоносного оружия. Испытания были наземными, воздушными, подводными и подземными. В 1963 г. вступил в силу договор о запрещении всех видов испытаний, кроме подземных.
В 1960–1970-е годы начались переговоры глав великих держав об ограничении ядерного вооружения и предупреждения возможных конфликтов с применением ядерного оружия. Делались попытки предотвратить его распространение в другие страны. Но наряду с этим, разрабатывались новые виды оружия. В качестве примера можно привести нейтронную бомбу, уничтожающую все живое, но оставляющую в целости здания. Совершенствовались средства доставки боеприпасов.
Атомное оружие разработали в Израиле, Индии, Пакистане и, по некоторым данным, в Северной Корее.
Как это ни парадоксально, но большинство исследователей признают, что именно ядерное оружие стало фактором, сдерживающим развитие конфликтов между крупными государствами во второй половине XX в. Угроза взаимного уничтожения заставляла противоборствующие стороны садиться за стол переговоров. В качестве примера можно привести мирное разрешение Карибского кризиса в 1962 г. Причиной его возникновения стало размещение в Турции американских ракет, нацеленных на СССР, в ответ СССР разместил свои ракеты на Кубе.
Атомная электростанция
В 1922 г. в Петрограде академик Ферсман прочитал доклад. Он назывался «Пути к науке будущего». Ученый предсказывал использование грандиозных запасов внутриатомной энергии.
При сгорании ядерного топлива в урановом реакторе выделяется в 10 000 000 раз больше энергии, чем при сгорании равной по весу порции органического вещества в топке обычной тепловой электростанции.
Условием работы атомного реактора, утверждал ученый, является цепная реакция деления ядра урана, для чего следует обстреливать уран-235 нейтронами. Последние, взаимодействуя с атомами урана, вызывают деление их ядер. Деление одного ядра, в свою очередь, вызывает деление других. При этом происходит выделение нейтронов. Для обеспечения самоподдерживающейся цепной реакции необходимо такое количество урана, критическая масса которого была бы около 50 кг.
Уменьшить критическую массу можно, смешав уран с каким-либо неделящимся веществом. Принцип работы реактора был открыт Э. Ферми. В 1934 г. он вместе со своими сотрудниками Б. Понтекорво и Амальди исследовал радиоактивность различных элементов. Образцы представляли собой пустотелые цилиндры со вставленными в них источниками нейтронов. При облучении материала цилиндра нейтронами образовывались радиоактивные ядра. В ходе экспериментов было обнаружено, что активность материала зависит от предметов, стоящих вблизи цилиндра. Наибольшая радиоактивность была достигнута при погружении цилиндра в бассейн с водой. Ферми объяснил это тем, что, сталкиваясь с почти равными по весу атомами водорода, нейтрон теряет большую часть своей энергии. Его скорость равна примерно 2000 м/с. Такие нейтроны называют медленными, а нейтроны, образующиеся при делении и имеющие скорость 20 000 км/с, – быстрыми.
