Деление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом. Им удалось установить, что при бомбардировке ядер урана нейтронами образуются элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др. Правильное толкование этому факту дали австрийский физик Л. Мейтнер и английский физик О. Фриш. Они объяснили появление этих элементов распадом ядер урана, захватившего нейтрон, на две примерно равные части. Это явление получило название деления ядер, а образующиеся ядра - осколков деления.

См. также

  1. Васильев А. Деление урана: от Клапрота до Гана //Квант. - 2001. - № 4. - С. 20-21,30 .

Капельная модель ядра

Объяснить эту реакцию деления можно основываясь на капельной модели ядра. В этой модели ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости. Кроме ядерных сил, действующих между всеми нуклонами ядра, протоны испытывают дополнительное электростатическое отталкивание, вследствие которого они располагаются на периферии ядра. В невозбужденном состоянии силы электростатического отталкивания скомпенсированы, поэтому ядро имеет сферическую форму (рис. 1, а).

После захвата ядром \(~^{235}_{92}U\) нейтрона образуется промежуточное ядро \(~(^{236}_{92}U)^*\), которое находится в возбужденном состоянии. При этом энергия нейтрона равномерно распределяется между всеми нуклонами, а само промежуточное ядро деформируется и начинает колебаться. Если возбуждение невелико, то ядро (рис. 1, б), освобождаясь от излишка энергии путем испускания γ -кванта или нейтрона, возвращается в устойчивое состояние. Если же энергия возбуждения достаточно велика, то деформация ядра при колебаниях может быть настолько большой, что в нем образуется перетяжка (рис. 1, в), аналогичная перетяжке между двумя частями раздваивающейся капли жидкости. Ядерные силы, действующие в узкой перетяжке, уже не могут противостоять значительной кулоновской силе отталкивания частей ядра. Перетяжка разрывается, и ядро распадается на два "осколка" (рис. 1, г), которые разлетаются в противоположные стороны.

uran.swf Flash: Деление урана Увеличить Flash Рис. 2.

В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, возникающих при делении этого ядра. Две типичные реакции деления этого ядра имеют вид:

\(~^{235}_{92}U + \ ^1_0n \ ^{\nearrow}_{\searrow} \ \begin{matrix} ^{144}_{56}Ba + \ ^{89}_{36}Kr + \ 3^1_0n \\ ^{140}_{54}Xe + \ ^{94}_{38}Sr + \ 2^1_0n \end{matrix}\) .

Обратите внимание, что в результате деления ядра, инициированного нейтроном, возникают новые нейтроны, способные вызвать реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана-235 могут быть и другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и т. д.

При делении ядер тяжелых атомов (\(~^{235}_{92}U\)) выделяется очень большая энергия - около 200 МэВ при делении каждого ядра. Около 80 % этой энергии выделяется в виде кинетической энергии осколков; остальные 20 % приходятся на энергию радиоактивного излучения осколков и кинетическую энергию мгновенных нейтронов.

Оценку выделяющей при делении ядра энергии можно сделать с помощью удельной энергии связи нуклонов в ядре. Удельная энергия связи нуклонов в ядрах с массовым числом A ≈ 240 порядка 7,6 МэВ/нуклон, в то время как в ядрах с массовыми числами A = 90 – 145 удельная энергия примерно равна 8,5 МэВ/нуклон. Следовательно, при делении ядра урана освобождается энергия порядка 0,9 МэВ/нуклон или приблизительно 210 МэВ на один атом урана. При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.

См. также

  1. Варламов А.А. Капельная модель ядра //Квант. - 1986. - № 5. - С. 23-24

Цепная реакция

Цепная реакция - ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции.

При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией. Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рис. 3.

reakcia.swf Flash: цепная реакция Увеличить Flash Рис. 4.

Уран встречается в природе в виде двух изотопов\[~^{238}_{92}U\] (99,3 %) и \(~^{235}_{92}U\) (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления \(~^{235}_{92}U\) наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра \(~^{238}_{92}U\) вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ. Иначе энергия возбуждения образовавшихся ядер \(~^{239}_{92}U\) оказывается недостаточной для деления, и тогда вместо деления происходят ядерные реакции:

\(~^{238}_{92}U + \ ^1_0n \to \ ^{239}_{92}U \to \ ^{239}_{93}Np + \ ^0_{-1}e\) .

Изотоп урана \(~^{238}_{92}U\) β -радиоактивен, период полураспада 23 мин. Изотоп нептуния \(~^{239}_{93}Np\) тоже радиоактивен, период полураспада около 2 дней.

\(~^{239}_{93}Np \to \ ^{239}_{94}Pu + \ ^0_{-1}e\) .

Изотоп плутония \(~^{239}_{94}Np\) относительно стабилен, период полураспада 24000 лет. Важнейшее свойство плутония состоит в том, что он делится под влиянием нейтронов так же, как \(~^{235}_{92}U\). Поэтому с помощью \(~^{239}_{94}Np\) может быть осуществлена цепная реакция.

Рассмотренная выше схема цепной реакции представляет собой идеальный случай. В реальных условиях не все образующиеся при делении нейтроны участвуют в делении других ядер. Часть их захватывается неделящимися ядрами посторонних атомов, другие вылетают из урана наружу (утечка нейтронов).

Поэтому цепная реакция деления тяжелых ядер возникает не всегда и не при любой массе урана.

Коэффициент размножения нейтронов

Развитие цепной реакции характеризуется так называемым коэффициентом размножения нейтронов К , который измеряется отношением числа N i нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу N i-1 нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции:

\(~K = \dfrac{N_i}{N_{i - 1}}\) .

Коэффициент размножения зависит от ряда факторов, в частности от природы и количества делящегося вещества, от геометрической формы занимаемого им объема. Одно и то же количество данного вещества имеет разное значение К . К максимально, если вещество имеет шарообразную форму, поскольку в этом случае потеря мгновенных нейтронов через поверхность будет наименьшей.

Масса делящегося вещества, в котором цепная реакция идет с коэффициентом размножения К = 1, называется критической массой. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу.

Значение критической массы определяется геометрией физической системы, ее структурой и внешним окружением. Так, для шара из чистого урана \(~^{235}_{92}U\) критическая масса равна 47 кг (шар диаметром 17 см). Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода D 2 O. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.

Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей.

Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г.

При коэффициенте размножения К = 1 число делящихся ядер поддерживается на постоянном уровне. Такой режим обеспечивается в ядерных реакторах.

Если масса ядерного топлива меньше критической массы, то коэффициент размножения К < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Если же масса ядерного топлива больше критической, то коэффициент размножения К > 1 и каждое новое поколение нейтронов вызывает все большее число делений. Цепная реакция лавинообразно нарастает и имеет характер взрыва, сопровождающегося огромным выделением энергии и повышением температуры окружающей среды до нескольких миллионов градусов. Цепная реакция такого рода происходит при взрыве атомной бомбы.

Ядерная бомба

В обычном состоянии ядерная бомба не взрывается потому, что ядерный заряд в ней разделен на несколько небольших частей перегородками, поглощающими продукты распада урана, – нейтроны. Цепная ядерная реакция, являющаяся причиной ядерного взрыва, не может поддерживаться в таких условиях. Однако, если фрагменты ядерного заряда соединить вместе, то их суммарная масса станет достаточной для того, чтобы начала развиваться цепная реакция деления урана. В результате происходит ядерный взрыв. При этом мощность взрыва, развиваемая ядерной бомбой сравнительно небольших размеров, эквивалентна мощности, выделяющейся при взрыве миллионов и миллиардов тонн тротила.

Рис. 5. Атомная бомба

Cтраница 1


Производство плутония осуществляется при помощи контролируемой цепной реакции. Случайный нейтрон, образующийся, например, под действием космических лучей, сталкиваясь с одним из таких атомов, вызывает его деление и освобождение некоторого числа нейтронов. Эти нейтроны вызывают дальнейшее течение реакции; однако цепная реакция не идет в небольшом куске урана, поскольку некоторые нейтроны уходят наружу или поглощаются содержащимися в металлическом уране примесями, такими, как кадмий, ядра которого очень легко соединяются с нейтронами.  

Производство плутония ведется в ядерных реакторах. При протекании самоподдерживающейся реакции деления ядер урана-235 часть нейтронов захватывается неделящимися ядрами урана-238. В результате такого захвата и возбуждаемого им процесса радиоактивных превращений в уране наряду с делением (выгоранием) урана-235 происходит постепенное накопление плутония в количестве, достигающем 50 - 80 % от количества выгоревшего урана. Последующее извлечение плутония и не использованного полностью урана-235 из облученных урановых стержней производится на специальных радиохимических заводах.  

Производство плутония осуществляется при помощи контролируемой цепной реакции. Случайный нейтрон, сталкиваясь с одним из таких атомов, вызывает его деление, сопровождающееся освобождением некоторого числа нейтронов. Однако в небольшом куске урана цепная реакция не возникает, поскольку часть нейтронов уходит во внешнюю среду или поглощается содержащимися в металлическом уране примесями, такими, как кадмий, ядра которого очень легко соединяются с нейтронами.  

Производство плутония в уран-графитовом котле в настоящее время освоено. В 1949 году предполагается, по Вашему решению, постройка и пуск котла большей мощности АВ, что увеличит скорость накопления плутония в 1950 году в 3 - 4 раза по сравнению с концом 1948 года.  

Производство плутония во Франции осуществляется в Маркуле.  

Производство плутония, осуществляется при помощи контролируемой цепной реакции. Случайный нейтрон, сталкиваясь с одним из таких атомов, вызывает его деление, сопровождающееся освобождением некоторого числа нейтронов. Однако в небольшом куске урана цепная реакция не возникает, поскольку некоторые нейтроны уходят во внешнюю среду или поглощаются содержащимися в металлическом уране примесями, такими, как кадмий, ядра которого очень легко соединяются с нейтронами.  

Для производства плутония в большом масштабе из нескольких имеющихся методов разделения была выбрана экстракция органическими растворителями [ 58; 101; 174, стр. Широко использовались два метода экстракции - пурекс - и редокс-процессы - а также различные их варианты. Урановое горючее растворяется в азотной кислоте с образованием раствора, содержащего уран, плутоний и продукты деления. Методы экстракции основаны на различиях в растворимости этих компонентов в органической жидкости, практически не растворимой в воде.  

В радиохимическом производстве плутония и нептуния сорбционные процессы наиболее широко применяют на стадии аффинажа (конечная очистка) и концентрирования элементов. В этом случае сорбционные процессы имеют преимущество перед такими процессами, как выпаривание и осаждение, поскольку более удобны при больших объемах растворов, устраняют трудности, связанные с коррозией аппаратуры, и в большинстве случаев дают дополнительную очистку от коррозионных примесей и продуктов деления. Реализация ионообменных процессов достаточно проста, что существенно при работе с радиоактивными изотопами в заводских и лабораторных условиях.  

Данные о производстве плутония публикуются только во Франции.  

Данные о производстве плутония публикуются только во Франции. В Великобритании до недавнего времени производство плутония было сконцентрировано на заводах Уиид-скейла 95 ] в Кемберленде. В Моле (Бельгия) Организация европейского экономического сообщества, в составе двенадцати членов, предполагает построить завод для выделения плутония стоимостью 12 млн. долларов.  

Для исключения возможности производства плутония оружейного качества и получения более глубокого отрицательного пустотного эффекта реактивности вокруг активной зоны БРЕСТ-300 вместо традиционных для БР урановых экранов-бланкетов создан свинцовый отражатель.  

Химические опасности XX века.  

Ядерная авария в производстве плутония, Уиндскей / i (Великобритания) Огневой шар СНГ, Мелдрин (шт.  

В реакторах, построенных для производства плутония, применяется естественный уран, так как воспроизводящий U238 является одновременно мишенью для нейтронов. Кроме обогащенного урана в реакторах-размножителях в качестве мишени применяются другие материалы, например торий для получения U233 или кобальт для получения источников излучения.  

Как уже говорилось, для производства плутония или урана-235 необходимо получать исключительно чистый продукт. Задача заключается в том, чтобы при переработке сотен тонн урановых концентратов выделить исключительно чистый продукт, содержание примесей в котором не должно превышать миллионных долей. При этом особое внимание уделяется удалению таких элементов, как бор, кадмий, индий, и некоторых редкоземельных элементов, жадно поглощающих медленные нейтроны.  

Трудно сказать, какое имя дал бы немецкий ученый Мартин Генрих Клапрот открытому в 1789 году химическому элементу, если бы за несколько лет до этого не произошло событие, взволновавшее все круги общества: в 1781 году английский астроном Вильям Гершель, наблюдая с помощью самодельного телескопа звездное небо, обнаружил светящееся облачко, которое он поначалу принял за комету, но в дальнейшем убедился, что видит новую, неизвестную дотоле седьмую планету солнечной системы. В честь древнегреческого бога неба Гершель назвал ее Ураном. Находившийся под впечатлением этого события, Клапрот дал новорожденному элементу имя новой планеты.

Спустя примерно полвека, в 1841 году французский химик Эжен Мельхиор Пелиго сумел впервые получить металлический уран. Промышленный мир остался равнодушным к тяжелому, сравнительно мягкому металлу, каким оказался уран. Его механические и химические свойства не привлекли ни металлургов, ни машиностроителей. Лишь стеклодувы Богемии да саксонские мастера фарфоровых и фаянсовых дел охотно применяли оксид этого металла, чтобы придать бокалам красивый желто-зеленый цвет или украсить блюда затейливым бархатно-черным узором.

О "художественных способностях" урановых соединений знали еще древние римляне. При раскопках, проведенных близ Неаполя, удалось найти стеклянную мозаичную фреску удивительной красоты. Археологи были поражены: за два тысячелетия стекла почти не потускнели. Когда образцы стекол подвергли химическому анализу, оказалось, что в них присутствует оксид урана, которому мозаика и была обязана своим долголетием. Но если оксиды и соли урана занимались "общественно полезным трудом", то сам металл в чистом виде почти никого не интересовал.

Даже ученые, и те были лишь весьма поверхностно знакомы с этим элементом. Сведения о нем были скудны, а порой совершенно неправильны. Так, считалось, что его атомная масса равна приблизительно 120. Когда Д. И. Менделеев создавал свою Периодическую систему, эта величина путала ему все карты: уран по своим свойствам никак не хотел вписываться в ту клетку таблицы, которая была забронирована за элементом с этой атомной массой. И тогда ученый, вопреки мнению многих своих коллег, решил принять новое значение атомной массы урана - 240 и перенес элемент в конец таблицы. Жизнь подтвердила правоту великого химика: атомная масса урана равна 238,03.

Но гений Д. И. Менделеева проявился не только в этом. Еще в 1872 году, когда большинство ученых считало уран на фоне многих ценных элементов своего рода балластом, создатель Периодической системы сумел предвидеть его поистине блестящее будущее: "Между всеми известными химическими элементами уран выделяется тем, что обладает наивысшим атомным весом... Наивысшая, из известных, концентрация массы весомого вещества... существующая в уране... должна влечь за собою выдающиеся особенности...

Убежденный в том, что исследование урана, начиная с его природных источников, поведет еще ко многим новым открытиям, я смело рекомендую тем, кто ищет предметов для новых исследований, особо тщательно заниматься урановыми соединениями".

Предсказание великого ученого сбылось менее чем через четверть века: в 1896 году французский физик Антуан Анри Беккерель, проводя эксперименты с солями урана, совершил открытие, которое по праву относится к величайшим научным открытиям, когда-либо сделанным человеком. Вот как это произошло. Беккерель давно интересовался явлением фосфоресценции (т. е. свечения), присущей некоторым веществам. Однажды ученый решил воспользоваться для своих опытов одной из солей урана. На обернутую черной бумагой фотопластинку он поместил вырезанную из металла узорчатую фигуру, покрытую слоем урановой соли, и выставил ее на яркий солнечный свет, чтобы фосфоресценция была как можно более интенсивной. Через четыре часа Беккерель проявил пластинку и увидел на ней отчетливый силуэт металлической фигуры. Еще и еще раз повторил он свои опыты - результат был тот же. И вот 24 февраля 1896 года на заседании французской Академии наук ученый доложил, что исследованное им фосфоресцирующее соединение урана на свету испускает невидимые лучи, которые проходят через черную непрозрачную бумагу и восстанавливают соли серебра на фотопластинке.

Спустя два дня Беккерель решил продолжить эксперименты, но как на грех погода была пасмурной, а без солнца какая же фосфоресценция? Досадуя на непогоду, ученый спрятал уже приготовленные, но так и не подвергшиеся освещению диапозитивы вместе с образцами солей урана в ящик своего стола, где они пролежали несколько дней. Наконец, в ночь на 1 марта ветер очистил парижское небо от туч и солнечные лучи с утра засверкали над городом. Беккерель, с нетерпением ожидавший этого, поспешил в свою лабораторию и извлек из ящика стола диапозитивы, чтобы выставить их на солнце. Но, будучи очень педантичным экспериментатором, он в последний момент все же решил проявить диапозитивы, хотя логика, казалось бы, подсказывала, что за прошедшие дни с ними ничего не могло произойти: ведь они лежали в темном ящике, а без света не фосфоресцирует ни одно вещество. В этот миг ученый не подозревал, что через несколько часов обычным фотографическим пластинкам ценой в несколько франков, суждено стать бесценным научным сокровищем, а день 1 марта 1896 года навсегда войдет в историю мировой науки.

То, что Беккерель увидел на проявленных пластинках, буквально поразило его: черные силуэты образцов резко и четко обозначились на светочувствительном слое. Значит, фосфоресценция здесь ни при чем. Но тогда что же это за лучи испускает соль урана? Ученый снова и снова проделывает аналогичные опыты с другими соединениями урана, в том числе и с теми, которые не обладали способностью фосфоресцировать или годами лежали в темном месте, и каждый раз на пластинках появлялось изображение.

У Беккереля возникает пока еще не вполне ясная мысль, что уран представляет собой "первый пример металла, обнаруживающего свойство, подобное невидимой фосфоресценции".

В это же время французскому химику Анри Муассану удалось разработать способ получения чистого металлического урана. Беккерель попросил у Муассана немного уранового порошка и установил, что излучение чистого урана значительно интенсивнее, чем его соединений, причем это свойство урана оставалось неизменным при самых различных условиях опытов, в частности при сильном нагревании и при охлаждении до низких температур.

С публикацией новых данных Беккерель не спешил: он ждал, когда Муассан сообщит о своих весьма интересных исследованиях. К этому обязывала научная этика. И вот 23 ноября 1896 года на заседании Академии наук Муассан сделал доклад о работах по получению чистого урана, а Беккерель рассказал о новом свойстве, присущем этому элементу, которое заключалось в самопроизвольном превращении его атомов, сопровождающемся выделением лучистой энергии. Это свойство было названо радиоактивностью.

Открытие Беккереля ознаменовало собой начало новой эры в физике - эры превращения элементов. Отныне атом уже не мог считаться единым и неделимым - перед наукой открывался путь в глубины этого "кирпичика" материального мира.

Естественно, что теперь уран приковал к себе внимание ученых. Вместе с тем их интересовал и такой вопрос: только ли урану присуща радиоактивность? Быть может, в природе существуют и другие элементы, обладающие этим свойством?

Ответ на этот вопрос смогли дать выдающиеся физики супруги Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри. С помощью прибора, сконструированного мужем, Мария Кюри исследовала огромное количество металлов, минералов, солей. Работа велась в неимоверно тяжелых условиях. Лабораторией служил заброшенный деревянный сарай, который супруги подыскали в одном из парижских дворов. "Это был барак из досок, с асфальтовым полом и стеклянной крышей, плохо защищавшей от дождя, без всяких приспособлений, - вспоминала впоследствии М. Кюри. - В нем были только старые деревянные столы, чугунная печь, не дававшая достаточно тепла, и классная доска, которой так любил пользоваться Пьер. Там не было вытяжных шкафов для опытов с вредными газами, поэтому приходилось делать эти операции на дворе, когда позволяла погода, или же в помещении при открытых окнах". В дневнике П. Кюри есть запись о том, что порой работы проводились при температуре всего шесть градусов выше нуля.

Много проблем возникало и с получением нужных материалов. Урановая руда была очень дорогой, и купить на свои скромные средства достаточное количество ее супруги Кюри не могли. Они решили обратиться к австрийскому правительству с просьбой продать им по невысокой цене отходы этой руды, из которой в Австрии извлекали уран, используемый в виде солей для окрашивания стекла и фарфора. Ученых поддержала венская Академия наук, и несколько тонн отходов было доставлено в их парижскую лабораторию.

Мария Кюри работала с необыкновенным упорством. Изучение разнообразных материалов подтверждало правоту Беккереля, считавшего, что радиоактивность чистого урана больше, чем у любых его соединений. Об этом говорили результаты сотен опытов. Но Мария Кюри подвергала исследованиям все новые и новые вещества. И вдруг... Неожиданность! Два урановых минерала - хальколит и смоляная руда Богемии - гораздо активнее действовали на прибор, чем уран. Вывод напрашивался сам собой: в них содержится какой-то неизвестный элемент, характеризующийся еще более высокой способностью к радиоактивному распаду. В честь Польши - родины М. Кюри - супруги назвали его полонием.

Снова за работу, снова титанический труд - и еще победа: открыт элемент, в сотни раз превосходящий по радиоактивности уран. Этот элемент ученые назвали радием, что по-латыни означает "луч".

Открытие радия в какой-то мере отвлекло научную общественность от урана. В течение примерно сорока лет он не очень волновал умы ученых, да и инженерная мысль редко баловала его своим вниманием. В одном из томов технической энциклопедии, изданном в 1934 году, утверждалось: "Элементарный уран практического применения не имеет". Солидное издание не грешило против истины, но спустя всего несколько лет жизнь внесла существенные коррективы в представления о возможностях урана.

В начале 1939 года появились два научных сообщения. Первое, направленное во французскую Академию наук Фредериком Жолио-Кюри, было озаглавлено "Экспериментальное доказательство взрывного расщепления ядер урана и тория под действием нейтронов". Второе сообщение - его авторами были немецкие физики Отто Фриш и Лиза Мейтнер - опубликовал английский журнал "Природа"; оно называлось: "Распад урана под действием нейтронов: новый вид ядерной реакции". И там, и там речь шла о новом, доселе неизвестном явлении, происходящем с ядром самого тяжелого элемента - урана.

Еще за несколько лет до этого ураном всерьез заинтересовались "мальчуганы" - так дружелюбно называли группу молодых талантливых физиков, работавших под руководством Энрико Ферми в Римском университете. Увлечением этих ученых была нейтронная физика, таившая в себе много нового, неизведанного.

Было обнаружено, что при облучении нейтронами, как правило, ядра одного элемента превращаются в ядра другого, занимающего следующую клетку в Периодической системе. А если облучить нейтронами последний, 92-й элемент - уран? Тогда должен образоваться элемент, стоящий уже на 93-м месте - элемент, который не смогла создать даже природа!

Идея понравилась "мальчуганам". Еще бы, разве не заманчиво узнать, что собой представляет искусственный элемент, как он выглядит, как ведет себя? Итак - уран облучен. Но что произошло? В уране появился не один радиоактивный элемент, как ожидалось, а по меньшей мере десяток. Налицо была какая-то загадка в поведении урана. Энрико Ферми направляет сообщение об этом в один из научных журналов. Возможно, считает он, образовался 93-й элемент, однако точных доказательств этого нет. С другой стороны, есть доказательства, что в облученном уране присутствуют какие-то другие элементы. Какие же?

Попытку дать ответ на этот вопрос предприняла дочь Марии Кюри - Ирен Жолио-Кюри. Она повторила опыты Ферми и тщательно исследовала химический состав урана после облучения его нейтронами. Результат был более чем неожиданным: в уране появился элемент лантан, располагающийся примерно в середине таблицы Менделеева, т.е. очень далеко от урана.

Когда те же эксперименты проделали немецкие ученые Отто Ган и Фридрих Штрассман, они нашли в уране не только лантан, но и барий. Загадка за загадкой!

Ган и Штрассман сообщили о проведенных опытах своему другу известному физику Лизе Мейтнер. Теперь уже урановую проблему пытаются решить сразу несколько крупнейших ученых. И вот сначала Фредерик Жолио-Кюри, а спустя некоторое время Лиза Мейтнер приходят к одному и тому же выводу: при попадании нейтрона ядро урана как бы разваливается на части. Этим и объясняется неожиданное появление лантана и бария - элементов с атомной массой примерно вдвое меньшей, чем у урана.

Американского физика Луиса Альвареса, впоследствии лауреата Нобелевской премии это известие застало в одно январское утро 1939 года в кресле парикмахера. Он спокойно просматривал газету, как вдруг ему бросился в глаза скромный заголовок: "Атом урана разделен на две половины". Через мгновение к изумлению парикмахера и посетителей, ожидавших очереди, странный клиент выбежал из парикмахерской, наполовину подстриженный, с салфеткой, туго завязанной вокруг шеи и развевающейся на ветру. Не обращая внимания на удивленных прохожих, физик мчался в лабораторию Калифорнийского университета, где он работал, чтобы сообщить о потрясающей новости своим коллегам. Те поначалу были ошарашены весьма оригинальным видом размахивающего газетой Алвареса, но, когда услышали о сенсационном открытии, тотчас же забыли о его необычной прическе.


Да, это была подлинная сенсация в науке. Но Жолио-Кюри установил и другой важнейший факт: распад уранового ядра носит характер взрыва, при котором образующиеся осколки разлетаются в стороны с огромной скоростью. Пока удавалось расколоть лишь отдельные ядра, энергия осколков только нагревала кусок урана. Если же число делений будет велико, то при этом выделится огромное количество энергии.

Но где раздобыть такое количество нейтронов, чтобы одновременно бомбардировать ими большое число ядер урана? Ведь известные ученым источники нейтронов давали их во много миллиардов раз меньше, чем требовалось. На помощь пришла сама природа. Жолио-Кюри обнаружил, что при делении ядра урана из него вылетает несколько нейтронов. Попав в ядра соседних атомов, они должны привести к новому распаду - начнется так называемая цепная реакция. А поскольку эти процессы длятся миллионные доли секунды, сразу выделится колоссальная энергия - неизбежен взрыв. Казалось бы, все ясно. Но ведь куски урана уже не раз облучали нейтронами, а они при этом не взрывались, т.е. цепная реакция не возникала. Видимо, нужны еще какие-то условия. Какие же? На этот вопрос Фредерик Жолио-Кюри ответить пока не мог.

И все же ответ был найден. Нашли его в том же 1939 году молодые советские ученые Я.Б. Зельдович и Ю.Б. Харитон. В своих работах они установили, что есть два пути развития цепной ядерной реакции. Первый - увеличить размеры куска урана, так как при облучении маленького куска многие выделившиеся вновь нейтроны могут вылететь из него, не встретив на своем пути ни одного ядра. С ростом массы урана вероятность попадания нейтрона в цель, естественно, возрастает.

Есть и другой путь - обогащение урана изотопом 235. Дело в том, что природный уран имеет два основных изотопа, атомные массы которых равны 238 и 235. В ядре первого из них, на долю которого приходится в сотни раз больше атомов, имеется на три нейтрона больше. "Бедный" нейтронами уран-235 жадно их поглощает - гораздо сильней, чем его "зажиточный" брат, который при определенных условиях, поглотив нейтрон, не делится на части, а превращается в другой элемент. Это свойство изотопа ученые в дальнейшем использовали для получения искусственных трансурановых элементов. Для цепной же реакции равнодушие урана-238 к нейтронам оказывается губительным: процесс превращается, не успев набрать силу. Зато чем больше в уране "жадных" до нейтронов атомов изотопа 235, тем энергичнее пойдет реакция.

Но, чтобы начался процесс, нужен еще и первый нейтрон - та "спичка", которая должна вызвать атомный "пожар". Конечно, для этой цели можно воспользоваться обычными нейтронными источниками, которые ученые и ранее применяли в своих исследованиях, не очень удобно, но можно. А нет ли более подходящей "спички"?

Есть. Ее нашли другие советские ученые - К. А. Петржак и Г. Н. Флеров. Исследуя в 1939-1940 годах поведение урана, они пришли к выводу, что его ядра способны распадаться самопроизвольно. Это подтвердили результаты опытов, проведенных ими в одной из ленинградских лабораторий.

Но, может быть, уран распадался не сам, а, например, под действием космических лучей: ведь Земля непрерывно находится под их обстрелом. Значит, опыты нужно повторить глубоко под землей, куда не проникают эти космические гости. Посоветовавшись с крупнейшим советским ученым-атомником И.В. Курчатовым, молодые исследователи решили провести эксперименты на какой-нибудь станции Московского метрополитена. В Наркомате путей сообщения это не встретило препятствий, и вскоре в кабинет начальника станции метро "Динамо", находившейся на глубине 50 метров, на плечах научных работников была доставлена аппаратура, которая весила около трех тонн.

Как всегда, мимо проходили голубые поезда, тысячи пассажиров спускались и поднимались по эскалатору, и никто из них не предполагал, что где-то совсем рядом ведутся опыты, значение которых трудно переоценить. И вот, наконец, получены результаты, аналогичные тем, которые наблюдались в Ленинграде. Сомнения не было: ядрам урана присущ самопроизвольный распад. Чтобы заметить его, нужно было проявить незаурядное экспериментаторское мастерство: за час из каждых 60000000000000 атомов урана распадается лишь один. Поистине - капля в море!

К. А. Петржак и Г. Н. Флеров вписали заключительную страницу в ту часть биографии урана, которая предшествовала проведению первой в мире цепной реакции. Ее осуществил 2 декабря 1942 года Энрико Ферми.

В конце 30-х годов Ферми, как и многие другие крупные ученые, спасаясь от гитлеровской чумы, вынужден был эмигрировать в Америку. Здесь он намеревался продолжить свои важнейшие эксперименты. Но для этого требовалось немало денег. Нужно было убедить американское правительство в том, что опыты Ферми позволят получить мощное атомное оружие, которое можно будет использовать для борьбы с фашизмом. Эту миссию взял на себя ученый с мировым именем Альберт Эйнштейн. Он пишет письмо президенту США Франклину Рузвельту, которое начинается словами: "Сэр! Последняя работа Э. Ферми и Л. Сцилларда, с которой я ознакомился в рукописи, позволяет надеяться, что элемент уран в ближайшем будущем может быть превращен в новый важный источник энергии...". В письме ученый призывал правительство начать финансирование работ по исследованию урана. Учитывая огромный авторитет Эйнштейна и серьезность международной обстановки, Рузвельт дал свое согласие.

В конце 1941 года жители Чикаго могли заметить на территории одного из стадионов необычное оживление, которое не имело к спорту ни малейшего отношения. К воротам его то и дело подъезжали машины с грузом. Многочисленная охрана не разрешала посторонним даже приближаться к ограде стадиона. Здесь, на теннисных кортах, расположенных под западной трибуной, Энрико Ферми готовил свой опаснейший эксперимент - осуществление контролируемой цепной реакции деления ядер урана. Работы по сооружению первого в мире ядерного реактора велись днем и ночью в течение года.

Наступило утро 2 декабря 1942 года. Всю ночь ученые не смыкали глаз, снова и снова проверяя расчеты. Шутка ли сказать: стадион находится в самом центре многомиллионного города, и хотя расчеты убеждали в том, что реакция в атомном котле будет замедленной, т.е. не будет носить взрывного характера, рисковать жизнью сотен тысяч людей никто не имел права. День уже давно начался, пора было завтракать, но об этом все забыли - не терпелось как можно скорее приступить к штурму атома. Однако Ферми не торопится: надо дать уставшим людям отдохнуть, нужна разрядка, чтобы затем снова все тщательно взвесить и обдумать. Осторожность и еще раз осторожность. И вот, когда все ждали команду начать эксперимент, Ферми произнес свою знаменитую фразу, вошедшую в историю покорения атома, - всего два слова: "Идемте-ка завтракать!".

Завтрак позади, все вновь на своих местах - опыт начинается. Взгляды ученых прикованы к приборам. Томительны минуты ожидания. И, наконец, счетчики нейтронов защелкали, как пулеметы. Они словно захлебывались от огромного количества нейтронов, не успевая их считать! Цепная реакция началась! Это произошло в 15 часов 25 минут по чикагскому времени. Атомному огню позволили гореть 28 минут, а затем по команде Ферми цепная реакция была прекращена.

Один из участников эксперимента подошел к телефону и заранее условленной шифрованной фразой сообщил начальству: "Итальянский мореплаватель добрался до Нового Света!" Это означало, что выдающийся итальянский ученый Энрико Ферми освободил энергию атомного ядра и доказал, что человек может контролировать и использовать ее по своей воле.

Но воля воле рознь. В те годы, когда происходили описываемые события, цепная реакция рассматривалась прежде всего как этап на пути к созданию атомной бомбы. Именно в этом направлении и были продолжены в Америке работы ученых-атомников.

Обстановка в научных кругах, связанных с этими работами, была крайне напряженной. Но и здесь не обходилось без курьезов.

Осенью 1943 года было решено вывезти из оккупированной немцами Дании в Америку крупнейшего физика Нильса Бора, чтобы использовать его громадные знания и талант. Темной ночью" на рыбацком суденышке, тайно охраняемом английскими подводными лодками, ученый под видом рыбака был доставлен в Швецию, откуда его на самолете должны были переправить в Англию, а уж затем в США. Весь багаж Бора состоял из одной бутылки. Эту обычную зеленую бутылку из-под датского пива, в которой он тайком от немцев хранил бесценную тяжелую воду, физик берег как зеницу ока: по мнению многих ученых-атомников, именно тяжелая вода могла служить замедлителем нейтронов для ядерной реакции. Бор очень тяжело перенес утомительный полет и, как только пришел в себя, первым делом проверил, цела ли бутылка с тяжелой водой. И тут, к своему великому огорчению, ученый обнаружил, что стал жертвой собственной рассеянности: в его руках была бутылка с самым настоящим датским пивом, а сосуд с тяжелой водой остался дома в холодильнике.

Когда на гигантских заводах Ок-Риджа, расположенных в штате Теннесси, был получен первый небольшой кусочек урана-235, предназначенный для атомной бомбы, его отправили со специальным курьером в скрытый среди кантонов штата Нью-Мексико Лос-Аламос, где создавалось это смертоносное оружие. Курьеру, которому предстояло самому вести машину, не сказали, что находится в переданной ему коробочке, но он не раз слышал жуткие истории о таинственных "лучах смерти", рождаемых в Ок-Ридже. Чем дальше он ехал, тем большее волнение охватывало его. В конце концов он решил, при первом же подозрительном признаке в поведении коробочки, спрятанной позади его, бежать от машины что есть мочи. Проезжая по длинному мосту, шофер внезапно услышал сзади громкий выстрел. Словно катапультированный, он выскочил из автомобиля и побежал так быстро, как не бегал еще никогда в своей жизни. Но вот, пробежав изрядное расстояние, он остановился в изнеможении, убедился, что цел и невредим, и даже отважился оглянуться. А тем временем за его машиной уже вырос длинный хвост нетерпеливо сигналивших автомобилей. Пришлось возвращаться и продолжать путь. Но едва он сел за руль, как снова раздался громкий выстрел, и инстинкт самосохранения опять буквально выбросил беднягу из машины и заставил мчаться прочь от злополучной коробочки. Лишь после того, как разгневанный полисмен догнал его на мотоцикле и увидел правительственные документы, испуганный шофер узнал, что выстрелы доносились с соседнего полигона, где в это время испытывали новые артиллерийские снаряды.


Работы в Лос-Аламосе велись в обстановке строжайшей тайны. Все крупные ученые находились здесь под вымышленными именами. Так, Нильс Бор, например, был известен в Лос-Аламосе как Николас Бейкер, Энрико Ферми был Генри Фармером, Юджин Вигнер - Юджином Вагнером. Однажды, когда Ферми и Вигнер выезжали с территории одного секретного завода, их остановил часовой. Ферми предъявил свое удостоверение на имя Фармера, а Вигнер не смог найти своих документов. У часового был список тех, кому разрешалось входить на завод и выходить из него. "Ваша фамилия?" - спросил он. Рассеянный профессор сначала по привычке пробормотал "Вигнер", но тут же спохватился и поправился: "Вагнер". Это вызвало подозрение у часового. Вагнер был в списке, а Вигнер - нет. Он повернулся к Ферми, которого уже хорошо знал в лицо, и спросил: "Этого человека зовут Вагнер?". - "Его зовут Вагнер. Это так же верно, как и то, что я Фармер", - спрятав улыбку, торжественно заверил часового Ферми, и тот пропустил ученых.

Примерно в середине 1945 года работы по созданию атомной бомбы, на которые было израсходовано два миллиарда долларов, завершились, а 6 августа над японским городом Хиросимой возник гигантский огненный гриб, унесший десятки тысяч жизней. Эта дата стала черным днем в истории цивилизации. Величайшее достижение науки породило величайшую трагедию человечества. Перед учеными, перед всем миром встал вопрос: что же дальше? Продолжать совершенствовать ядерное оружие, создавать еще более ужасные средства уничтожения людей? Нет! Отныне колоссальная энергия, заключенная в ядрах атомов, должна служить человеку.

Первый шаг на этом пути сделали советские ученые под руководством академика И.В. Курчатова. 27 июня 1954 года московское радио передало сообщение исключительной важности: "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 5000 киловатт". Впервые по проводам шел ток, который нес энергию, рожденную в недрах атома урана. Пуск первой атомной электростанции положил начало развитию новой отрасли техники - ядерной энергетики. Уран стал мирным горючим XX века.

Прошло еще пять лет, и со стапелей советских судоверфей сошел первый в мире атомный ледокол "Ленин". Чтобы заставить работать его двигатели во всю мощь (44 тысячи лошадиных сил!), нужно было "сжечь" всего несколько десятков граммов урана. Небольшой кусок этого ядерного топлива способен заменить тысячи тонн мазута или каменного угля, которые вынуждены перевозить обычные теплоходы, совершающие, например, рейс Лондон - Нью-Йорк. А атомоход с запасом уранового топлива в несколько десятков килограммов может в течение трех лет сокрушать льды Арктики, не заходя в порт на "заправку". В 1974 году приступил к исполнению своих "обязанностей" еще более могучий атомный ледокол "Арктика": мощность его двигателей - 75 тысяч лошадиных сил! 17 августа 1977 года "Арктика", преодолев казавшийся несокрушимым ледовый панцирь Центрального полярного бассейна Северного Ледовитого океана, достигла Северного полюса. Осуществилась вековая мечта многих поколений моряков и полярных исследователей, и уран внес в решение этой проблемы свою лепту. У самого могучего атомного ледокола появились уже две "сестры" - "Сибирь" и "Россия".

С каждым годом доля ядерного горючего в мировом балансе энергоресурсов становится все ощутимее. Несколько лет назад в СССР начала действовать первая промышленная атомная электростанция с реактором на так называемых быстрых нейтронах. Важной особенностью таких реакторов является то, что в качестве ядерного горючего они могут использовать не дефицитный уран-235, а самый распространенный на земле изотоп этого элемента - уран-238. При этом в реакторе не только выделяется огромное количество энергии, но и образуется искусственный элемент полоний-239, который сам способен делиться, а значит, и быть источником ядерной энергии. "Получается как бы так, - писал И.В. Курчатов, - что сожжешь в топке уголь, а выгребешь вместе с золой еще больше угля".

Достоинства ядерного топлива несомненны. Вместе с тем использование его сопряжено со многими трудностями, из которых едва ли не важнейшая - уничтожение образующихся радиоактивных отходов. Спускать их в специальных контейнерах на дно морей и океанов? Зарывать их глубоко в землю? Вряд ли таким образом можно полностью решить проблему: ведь в конечном счете смертоносные вещества при этом остаются на нашей планете. А не попытаться ли отправить их куда-нибудь подальше - на другие небесные тела? Именно такую идею выдвинул один из американских ученых. Он предложил грузить отходы атомных электростанций на "товарные" космические корабли, следующие по маршруту Земля - Солнце. Разумеется, сегодня подобные "посылки" дороговато обошлись бы отправителям, но, по мнению некоторых оптимистически настроенных специалистов, через какой-нибудь десяток лет эти транспортные операции станут вполне оправданными.

В наше время уже не нужно обладать богатой фантазией, чтобы предсказать урану великое будущее. Уран завтра - это космические ракеты, устремленные в глубь Вселенной, и гигантские подводные города, обеспеченные энергией на десятки лет, это создание искусственных островов и обводнение пустынь, это проникновение к недрам Земли и преобразование климата нашей планеты.

Сказочные перспективы открывает перед человеком уран - один из удивительных металлов природы!

В 1934 г. Э. Ферми решил получить трансурановые элементы, облучая 238 U нейтронами. Идея Э. Ферми заключалась в том, что в результате β - -распада изотопа 239 U образуется химический элемент с порядковым номером Z = 93. Однако идентифицировать образование 93-его элемента не удавалось. Вместо этого в результате радиохимического анализа радиоактивных элементов, выполненного О.Ганом и Ф.Штрассманом, было показано, что одним из продуктов облучения урана нейтронами является барий (Z = 56) – химический элемент среднего атомного веса, в то время как согласно предположению теории Ферми должны были получаться трансурановые элементы.
Л. Мейтнер и О. Фриш высказали предположение, что в результате захвата нейтрона ядром урана происходит развал составного ядра на две части

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Процесс деления урана сопровождается появлением вторичных нейтронов (x > 1), способных вызвать деление других ядер урана, что открывает потенциальную возможность возникновения цепной реакции деления – один нейтрон может дать начало разветвленной цепи делений ядер урана. При этом число разделившихся ядер должно возрастать экспоненциально. Н. Бор и Дж. Уиллер рассчитали критическую энергию необходимую, чтобы ядро 236 U, образовавшееся в результате захвата нейтрона изотопом 235 U, разделилось. Эта величина равна 6,2 МэВ, что меньше энергии возбуждения изотопа 236 U, образующегося при захвате теплового нейтрона 235 U. Поэтому при захвате тепловых нейтронов возможна цепная реакция деления 235 U. Для наиболее распространенного изотопа 238 U критическая энергия равна 5,9 МэВ, в то время как при захвате теплового нейтрона энергия возбуждения образовавшегося ядра 239 U составляет только 5,2 МэВ. Поэтому цепная реакция деления наиболее распространенного в природе изотопа 238 U под действием тепловых нейтронов оказывается невозможной. В одном акте деления высвобождается энергия ≈ 200 МэВ (для сравнения в химических реакциях горения в одном акте реакции выделяется энергия ≈ 10 эВ). Возможности создания условий для цепной реакции деления открыли перспективы использования энергии цепной реакции для создания атомных реакторов и атомного оружия. Первый ядерный реактор был построен Э.Ферми в США в 1942 г. В СССР первый ядерный реактор был запущен под руководством И.Курчатова в 1946 г. В 1954 г. в г. Обнинске начала работать первая в мире атомная электро­станция. В настоящее время электрическая энергия вырабатывается примерно в 440 ядерных реакторах в 30 странах мира.
В 1940 г. Г.Флеров и К.Петржак открыли спонтанное деление урана. О сложности проведения эксперимента свидетельствуют следующие цифры. Парциальный период полураспада по отношению спонтанному делению изотопа 238 U составляет 10 16 –10 17 лет, в то время как период распада изотопа 238 U составляет 4.5∙10 9 лет. Основным каналом распада изотопа 238 U является α-распад. Для того, чтобы наблюдать спонтанное деление изотопа 238 U, нужно было регистрировать один акт деления на фоне 10 7 –10 8 актов α-распада.
Вероятность спонтанного деления в основном определяется проницаемостью барьера деления. Вероятность спонтанного деления увеличивается с увеличением заряда ядра, т.к. при этом увеличивается параметр деления Z 2 /A. В изотопах Z < 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z > 100 преобладает симметричное деление с образованием одинаковых по массе осколков. С увеличением заряда ядра доля спонтанного деления по сравнению с α-распадом увеличивается.

Изотоп Период полураспада Каналы распада
235 U 7.04·10 8 лет α (100%), SF (7·10 -9 %)
238 U 4.47·10 9 лет α (100%), SF (5.5·10 -5 %)
240 Pu 6.56·10 3 лет α (100%), SF (5.7·10 -6 %)
242 Pu 3.75·10 5 лет α (100%), SF (5.5·10 -4 %)
246 Cm 4.76·10 3 лет α (99,97%), SF (0.03%)
252 Cf 2.64 лет α (96,91%), SF (3.09%)
254 Cf 60.5 лет α (0,31%), SF (99.69%)
256 Cf 12.3 лет α (7.04·10 -8 %), SF (100%)

Деление ядер. История

1934 г. − Э. Ферми, облучая уран тепловыми нейтронами, обнаружил среди продуктов реакции радиоактивные ядра, природу которых установить не удалось.
Л. Сциллард выдвинул идею цепной ядерной реакции.

1939 г. − О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили среди продуктов реакций барий.
Л. Мейтнер и О. Фриш впервые объявили, что под действием нейтронов происходило деление урана на два сравнимых по массе осколка.
Н. Бор и Дж. Уилер дали количественную интерпретацию деления ядра, введя параметр деления.
Я. Френкель развил капельную теорию деления ядер медленными нейтронами.
Л. Сциллард, Э. Вигнер, Э. Ферми, Дж. Уилер, Ф. Жолио-Кюри, Я. Зельдович, Ю. Харитон обосновали возможность протекания в уране цепной ядерной реакции деления.

1940 г. − Г. Флеров и К. Петржак открыли явление спонтанного деления ядер урана U.

1942 г. − Э. Ферми осуществил управляемую цепную реакцию деления в первом атомного реакторе.

1945 г. − Первое испытание ядерного оружия (штат Невада, США). На японские города Хиросима (6 августа) и Нагасаки (9 августа) американскими войсками были сброшены атомные бомбы.

1946 г. − Под руководством И.В. Курчатова был пущен первый в Европе реактор.

1954 г. − Запущена первая в мире атомная электростанция (г. Обнинск, СССР).

Деление ядер. С 1934 г. Э.Ферми стал применять нейтроны для бомбардировки атомов. С тех пор количество устойчивых или радиоактивных ядер, полученных путем искусственного превращения, возросло до многих сотен, и почти все места периодической системы заполнились изотопами.
Атомы, возникающие во всех этих ядерных реак­циях, занимали в периодической системе то же место, что и бомбардированный атом, или соседние места. Поэтому произвело большую сенсацию доказательство Ганом и Штрассманом в 1938 г. того, что при обстреле нейтронами последнего элемента периодической системы − урана − происходит распад на элементы, которые стоят в средних частях периодической системы. Здесь выступают различные виды распада. Возникаю­щие атомы в большинстве своем неустойчивы и тотчас же распадаются дальше; у некоторых время полурас­пада измеряется секундами, так что Ган должен был применить аналитический метод Кюри для продления такого быстрого процесса. Важно отметить, что стоя­щие перед ураном элементы, протактиний и торий, также обнаруживают подобный распад под действием нейтронов, хотя для того, чтобы распад начался, требуется более высокая энергия нейтронов, чем в случае урана. Наряду с этим в 1940 г. Г. Н. Флеров и К. А. Петржак обнаружили спонтанное расщепление уранового ядра с самым большим из известных до тех пор периодом полураспада: около 2 ·10 15 лет; этот факт становится явным благодаря освобождающимся при этом нейтронам. Так явилась возможность понять, почему «естественная» периодическая система заканчивается тремя названными элементами. Теперь стали известны трансурановые элементы, но они настолько неустойчивы, что быстро распадаются.
Расщепление урана посредством нейтронов дает те­перь возможность того использования атомной энер­гии, которое уже многим мерещилось, как «мечта Жюля Верна».

М. Лауэ, «История физики»

1939 г. О. Ган и Ф. Штрассман, облучая соли урана тепловыми нейтронами, обнаружили среди продуктов реакции барий (Z = 56)


Отто Ганн
(1879 – 1968)

Деление ядер – расщепление ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, которые называют осколками деления. При делении возникают и другие частицы – нейтроны, электроны, α-частицы. В результате деления высвобождается энергия ~200 МэВ. Деление может быть спонтанным либо вынужденным под действием других частиц, чаще всего нейтронов.
Характерной особенностью деления является то, что осколки деления, как правило, существенно различаются по массам, т. е. преобладает асимметричное деление. Так, в случае наиболее вероятного деления изотопа урана 236 U, отношение масс осколков равно 1.46. Тяжёлый осколок имеет при этом массовое число 139 (ксенон), а легкий – 95 (стронций). С учётом испускания двух мгновенных нейтронов рассматриваемая реакция деления имеет вид

Нобелевская премия по химии
1944 г. – О. Ган.
За открытие реакции деления ядер урана нейтронами.

Осколки деления


Зависимость средних масс легкой и тяжелой групп осколков от массы делящегося ядра.

Открытие деления ядер. 1939 г.

Я приехал в Швецию, где Лизе Мейтнер страдала от одиночества, и я, как преданный племянник, решил навестить ее на рождество. Она жила в маленьком отеле Кунгэльв около Гетеборга. Я застал ее за завтраком. Она обдумывала письмо, только что полученное ею от Гана. Я был весьма скептически настроен относительно содержания письма, в котором сообщалось об образовании бария при облучении урана нейтронами. Однако ее привлекла такая возможность. Мы гуляли по снегу, она пешком, я на лыжах (она сказала, что может проделать этот путь, не отстав от меня, и доказала это). К концу прогулки мы уже могли сформулировать некоторые выводы; ядро не раскалывалось, и от него не отлетали куски, а это был процесс, скорее напоминавший капельную модель ядра Бора; подобно капле ядро могло удлиняться и делиться. Затем я исследовал, каким образом электрический заряд нуклонов уменьшает поверхностное натяжение, которое, как мне удалось установить, падает до нуля при Z = 100 и, возможно, весьма мало для урана. Лизе Мейтнер занималась определением энергии, выделяющейся при каждом распаде из-за дефекта массы. Она очень ясно представляла себе кривую дефекта масс. Оказалось, что за счет электростатического отталкивания элементы деления приобрели бы энергию около 200 МэВ, а это как раз соответствовало энергии, связанной с дефектом массы. Поэтому процесс мог идти чисто классически без привлечения понятия прохождения через потенциальный барьер, которое, конечно, оказалось бы тут бесполезным.
Мы провели вместе два или три дня на рождество. Затем я вернулся в Копенгаген и едва успел сообщить Бору о нашей идее в тот самый момент, когда он уже садился на пароход, отправляющийся в США. Я помню, как он хлопнул себя по лбу, едва я начал говорить, и воскликнул: «О, какие мы были дураки! Мы должны были заметить это раньше». Но он не заметил, и никто не заметил.
Мы с Лизе Мейтнер написали статью. При этом мы постоянно поддерживали связь по междугородному телефону Копенгаген – Стокгольм.

О. Фриш, Воспоминания. УФН. 1968. Т. 96, вып.4, с. 697.

Спонтанное деление ядер

В описанных ниже опытах мы использовали метод, впервые предложенный Фришем для регистрации процессов деления ядер. Ионизационная камера с пластинами, покрытыми слоем окиси урана, соединяется с линейным усилителем, настроенным таким образом, что α частицы, вылетающие из урана, не регистрируются системой; импульсы же от осколков, намного превышающие по величине импульсы от α-частиц, отпирают выходной тиратрон и считаются механическим реле.
Была специально сконструирована ионизационная камера в виде многослойного плоского конденсатора с общей площадью 15 пластин в 1000 см. Пластины, расположенные друг от друга на расстоянии 3 мм, были покрыты слоем окиси урана 10-20 мг/см 2 .
В первых же опытах с настроенным для счета осколков усилителем удалось наблюдать самопроизвольные (в отсутствие источника нейтронов) импульсы на реле и осциллографе. Число этих импульсов было невелико (6 в 1 час), и вполне понятно поэтому, что это явление не могло наблю­даться с камерами обычного типа…
Мы склонны думать, что наблюдаемый нами эффект следует приписать осколкам, получающимся в результате спонтанного деления урана…

Спонтанное деление следует приписать одному из невозбужденных изотопов U с периодами полураспада, полученными из оценки наших результатов:

U 238 – 10 16 ~ 10 17 лет,
U 235 – 10 14 ~ 10 15 лет,
U 234 – 10 12 ~ 10 13 лет.

Распад изотопа 238 U

Спонтанное деление ядер


Периоды полураспада спонтанно делящихся изотопов Z = 92 - 100

Первая экспериментальная система с уран-графитовой решёткой была построена в 1941 г. под руководством Э. Ферми. Она представляла собой графитовый куб с ребром длиной 2,5 м, содержащий около 7 т окиси урана, заключенной в железные сосуды, которые были размещены в кубе на одинаковых расстояниях друг от друга. На дне уран-графитовой решётки был помещён RaBe источник нейтронов. Коэффициент размножения в такой системе был ≈ 0.7. Окись урана содержала от 2 до 5% примесей. Дальнейшие усилия были направлены на получение более чистых материалов и к маю 1942 г. была получены окись урана, в которой примесь составляла меньше 1%. Чтобы обеспечить цепную реакцию деления, было необходимо использовать большое количество графита и урана – порядка нескольких тонн. Примеси должны были составлять меньше нескольких миллионных долей. Реактор, собранный к концу 1942 г. Ферми в Чикагском университете, имел форму срезанного сверху неполного сфероида. Он содержал 40 т урана и 385 т графита. Вечером 2 декабря 1942 г. после того, как были убраны стержни нейтронного поглотителя, было обнаружено, что внутри реактора происходит цепная ядерная реакция. Измеренный коэффициент составлял 1.0006. Вначале реактор работал на уровне мощности 0.5 Вт. К 12 декабря его мощность была увеличена до 200 Вт. В дальнейшем реактор был перенесен в более безопасное место, и мощность его была повышена до нескольких кВт. При этом реактор потреблял 0.002 г урана-235 в день.

Первый ядерный реактор в СССР

Здание для первого в СССР исследовательского ядерного реактора Ф-1 было готово к июню 1946 г.
После того как были проведены все необходимые эксперименты, раз­работана система управления и защиты реактора, установлены размеры реактора, проведены все необходимые опыты с моделями реактора, определена плотность нейтронов на нескольких моделях, получены графитовые блоки (так называемой ядерной чистоты) и (после нейтронно-физической проверки) урановые блочки, в ноябре 1946 г. приступили к сооружению реактора Ф-1.
Общий радиус реактора был 3,8 м. Для него потребовалось 400 т графита и 45 т урана. Реактор собирали слоями и в 15 ч 25 декабря 1946 г. был собран последний, 62-й слой. После извлечения так называемых аварийных стержней был произведен подъем регулирующего стержня, начался отсчет плотности нейтронов, и в 18 ч 25 декабря 1946 г. ожил, заработал первый в СССР реактор. Это была волнующая победа ученых - создателей ядерного реактора и всего советского народа. А через полтора года, 10 июня 1948 г., промышленный реактор с водой в каналах достиг критического состояния и вскоре началось промышленное производство нового вида ядерного горючего − плутония.

Откуда взялся уран? Скорее всего, он появляется при взрывах сверхновых. Дело в том, что для нуклеосинтеза элементов тяжелее железа должен существовать мощный поток нейтронов, который возникает как раз при взрыве сверхновой. Казалось бы, потом, при конденсации из образованного ею облака новых звездных систем, уран, собравшись в протопланетном облаке и будучи очень тяжелым, должен тонуть в глубинах планет. Но это не так. Уран - радиоактивный элемент, и при распаде он выделяет тепло. Расчет показывает, что если бы уран был равномерно распределен по всей толще планеты хотя бы с той же концентрацией, что и на поверхности, то он выделял бы слишком много тепла. Более того, его поток по мере расходования урана должен ослабевать. Поскольку ничего подобного не наблюдается, геологи считают, что не менее трети урана, а может быть, и весь он сосредоточен в земной коре, где его содержание составляет 2,5∙10 –4 %. Почему так получилось, не обсуждается.

Где добывают уран? Урана на Земле не так уж мало - по распространенности он на 38-м месте. А больше всего этого элемента в осадочных породах - углистых сланцах и фосфоритах: до 8∙10 –3 и 2,5∙10 –2 % соответственно. Всего в земной коре содержится 10 14 тонн урана, но главная проблема в том, что он весьма рассеян и не образует мощных месторождений. Промышленное значение имеют примерно 15 минералов урана. Это урановая смолка - ее основой служит оксид четырехвалентного урана, урановая слюдка - различные силикаты, фосфаты и более сложные соединения с ванадием или титаном на основе шестивалентного урана.

Что такое лучи Беккереля? После открытия Вольфгангом Рентгеном Х-лучей французский физик Антуан-Анри Беккерель заинтересовался свечением солей урана, которое возникает под действием солнечного света. Он хотел понять, нет ли и тут Х-лучей. Действительно, они присутствовали - соль засвечивала фотопластинку сквозь черную бумагу. В одном из опытов, однако, соль не стали освещать, а фотопластинка все равно потемнела. Когда же между солью и фотопластинкой положили металлический предмет, то под ним потемнение было меньше. Стало быть, новые лучи возникали отнюдь не из-за возбуждения урана светом и через металл частично не проходили. Их и назвали поначалу «лучами Беккереля». Впоследствии было обнаружено, что это главным образом альфа-лучи с небольшой добавкой бета-лучей: дело в том, что основные изотопы урана при распаде выбрасывают альфа-частицу, а дочерние продукты испытывают и бета-распад.

Насколько велика радиоактивность урана? У урана нет стабильных изотопов, все они радиоактивные. Самый долгоживущий - уран-238 с периодом полураспада 4,4 млрд лет. Следующим идет уран-235 - 0,7 млрд лет. Оба они претерпевают альфа-распад и становятся соответствующими изотопами тория. Уран-238 составляет более 99% всего природного урана. Из- за его огромного периода полураспада радиоактивность этого элемента мала, а кроме того, альфа-частицы не способны преодолеть ороговевший слой кожи на поверхности человеческого тела. Рассказывают, что И. В. Курчатов после работы с ураном просто вытирал руки носовым платком и никакими болезнями, связанными с радиоактивностью, не страдал.

Исследователи не раз обращались к статистике заболеваний рабочих урановых приисков и обрабатывающих комбинатов. Вот, например, недавняя статья канадских и американских специалистов, которые проанализировали данные о здоровье более 17 тысяч рабочих прииска Эльдорадо в канадской провинции Саскачеван за 1950–1999 годы (Environmental Research , 2014, 130, 43–50, DOI:10.1016/j.envres.2014.01.002). Они исходили из того, что сильнее всего радиация действует на быстро размножающиеся клетки крови, приводя к соответствующим видам рака. Статистика же показала, что у рабочих прииска заболеваемость различными видами рака крови меньше, чем в среднем у канадцев. При этом основным источником радиации считается не сам по себе уран, а порождаемый им газообразный радон и продукты его распада, которые могут попасть в организм через легкие.

Чем же вреден уран ? Он, подобно другим тяжелым металлам, весьма ядовит, может вызывать почечную и печеночную недостаточность. С другой стороны, уран, будучи рассеянным элементом, неизбежно присутствует в воде, почве и, концентрируясь в пищевой цепочке, попадает в организм человека. Разумно предположить, что в процессе эволюции живые существа научились обезвреживать уран в природных концентрациях. Наиболее опасен уран в воде, поэтому ВОЗ установила ограничение: поначалу оно составляло 15 мкг/л, но в 2011 году норматив увеличили до 30 мк/г. Как правило, урана в воде гораздо меньше: в США в среднем 6,7 мкг/л, в Китае и Франции - 2,2 мкг/л. Но бывают и сильные отклонения. Так в отдельных районах Калифорнии его в сто раз больше, чем по нормативу, - 2,5 мг/л, а в Южной Финляндии доходит и до 7,8 мг/л. Исследователи же пытаются понять, не слишком ли строг норматив ВОЗ, изучая действие урана на животных. Вот типичная работа (BioMed Research International , 2014, ID 181989; DOI:10.1155/2014/181989). Французские ученые девять месяцев поили крыс водой с добавками обедненного урана, причем в относительно большой концентрации - от 0,2 до 120 мг/л. Нижнее значение - это вода вблизи шахты, верхнее же нигде не встречается - максимальная концентрация урана, измеренная в той же Финляндии, составляет 20 мг/л. К удивлению авторов - статья так и называется: «Неожиданное отсутствие заметного влияния урана на физиологические системы...», - уран на здоровье крыс практически не сказался. Животные прекрасно питались, прибавляли в весе как следует, на болезни не жаловались и от рака не умирали. Уран, как ему и положено, откладывался прежде всего в почках и костях и в стократно меньшем количестве - в печени, причем его накопление ожидаемо зависело от содержания в воде. Однако ни к почечной недостаточности, ни даже к заметному появлению каких-либо молекулярных маркеров воспаления это не приводило. Авторы предложили начать пересмотр строгих нормативов ВОЗ. Однако есть один нюанс: воздействие на мозг. В мозгах крыс урана было меньше, чем в печени, но его содержание не зависело от количества в воде. А вот на работе антиоксидантной системы мозга уран сказался: на 20% выросла активность каталазы, на 68–90% - глютатионпероксидазы, активность же суперкоксиддисмутазы упала независимо от дозы на 50%. Это означает, что уран явно вызывал окислительный стресс в мозгу и организм на него реагировал. Такой эффект - сильное действие урана на мозг при отсутствии его накопления в нем, кстати, равно как и в половых органах, - замечали и раньше. Более того, вода с ураном в концентрации 75–150 мг/л, которой исследователи из университета Небраски поили крыс полгода (Neurotoxicology and Teratology , 2005, 27, 1, 135–144; DOI:10.1016/j.ntt.2004.09.001), сказалаcь на поведении животных, главным образом самцов, выпущенных в поле: они не так, как контрольные, пересекали линии, привставали на задние лапы и чистили шерстку. Есть данные, что уран приводит и к нарушениям памяти у животных. Изменение поведения коррелировало с уровнем окисления липидов в мозгу. Получается, что крысы от урановой водички делались здоровыми, но глуповатыми. Эти данные нам еще пригодятся при анализе так называемого синдрома Персидского залива (Gulf War Syndrome).

Загрязняет ли уран места разработки сланцевого газа? Это зависит от того, сколько урана в содержащих газ породах и как он с ними связан. Например, доцент Трейси Бэнк из Университета Буффало исследовала сланцевые породы месторождения Марцелус, протянувшегося с запада штата Нью-Йорк через Пенсильванию и Огайо к Западной Виргинии. Оказалось, что уран химически связан именно с источником углеводородов (вспомним, что в родственных углистых сланцах самое высокое содержание урана). Опыты же показали, что используемый при разрыве пласта раствор прекрасно растворяет в себе уран. «Когда уран в составе этих вод окажется на поверхности, он может вызвать загрязнение окрестностей. Радиационного риска это не несет, но уран - ядовитый элемент», - отмечает Трейси Бэнк в пресс-релизе университета от 25 октября 2010 года. Подробных статей о риске загрязнения окружающей среды ураном или торием при добыче сланцевого газа пока не подготовлено.

Зачем нужен уран? Раньше его применяли в качестве пигмента для изготовления керамики и цветного стекла. Теперь же уран - основа атомной энергетики и атомного оружия. При этом используется его уникальное свойство - способность ядра делиться.

Что такое деление ядра? Распад ядра на два неравных больших куска. Именно из-за этого свойства при нуклеосинтезе за счет нейтронного облучения ядра тяжелее урана образуются с большим трудом. Суть явления состоит в следующем. Если соотношение числа нейтронов и протонов в ядре не оптимально, оно становится нестабильным. Обычно такое ядро выбрасывает из себя либо альфа-частицу - два протона и два нейтрона, либо бета-частицу - позитрон, что сопровождается превращением одного из нейтронов в протон. В первом случае получается элемент таблицы Менделеева, отстоящий на две клетки назад, во втором - на одну клетку вперед. Однако ядро урана помимо излучения альфа- и бета-частиц способно делиться - распадаться на ядра двух элементов середины таблицы Менделеева, например бария и криптона, что и делает, получив новый нейтрон. Это явление обнаружили вскоре после открытия радиоактивности, когда физики подвергали новооткрытому излучению все, что придется. Вот как пишет об этом участник событий Отто Фриш («Успехи физических наук», 1968, 96, 4). После открытия бериллиевых лучей - нейтронов - Энрико Ферми облучал ими, в частности, уран, чтобы вызвать бета-распад, - он надеялся за его счет получить следующий, 93-й элемент, ныне названный нептунием. Он-то и обнаружил у облученного урана новый тип радиоактивности, который связал с появлением трансурановых элементов. При этом замедление нейтронов, для чего бериллиевый источник покрывали слоем парафина, увеличивало такую наведенную радиоактивность. Американский радиохимик Аристид фон Гроссе предположил, что одним из этих элементов был протактиний, но ошибся. Зато Отто Ган, работавший тогда в Венском университете и считавший открытый в 1917 году протактиний своим детищем, решил, что обязан узнать, какие элементы при этом получаются. Вместе с Лизой Мейтнер в начале 1938 года Ган предположил на основании результатов опытов, что образуются целые цепочки из радиоактивных элементов, возникающих из-за многократных бета-распадов поглотивших нейтрон ядер урана-238 и его дочерних элементов. Вскоре Лиза Мейтнер была вынуждена бежать в Швецию, опасаясь возможных репрессий со стороны фашистов после аншлюса Австрии. Ган же, продолжив опыты с Фрицем Штрассманом, обнаружил, что среди продуктов был еще и барий, элемент с номером 56, который никоим образом из урана получиться не мог: все цепочки альфа-распадов урана заканчиваются гораздо более тяжелым свинцом. Исследователи были настолько удивлены полученным результатом, что публиковать его не стали, только писали письма друзьям, в частности Лизе Мейтнер в Гётеборг. Там на Рождество 1938 года ее посетил племянник, Отто Фриш, и, гуляя в окрестностях зимнего города - он на лыжах, тетя пешком, - они обсудили возможности появления бария при облучении урана вследствие деления ядра (подробнее о Лизе Мейтнер см. «Химию и жизнь», 2013, №4). Вернувшись в Копенгаген, Фриш буквально на трапе парохода, отбывающего в США, поймал Нильса Бора и сообщил ему об идее деления. Бор, хлопнув себя по лбу, сказал: «О, какие мы были дураки! Мы должны были заметить это раньше». В январе 1939 года вышла статья Фриша и Мейтнер о делении ядер урана под действием нейтронов. К тому времени Отто Фриш уже поставил контрольный опыт, равно как и многие американские группы, получившие сообщение от Бора. Рассказывают, что физики стали расходиться по своим лабораториям прямо во время его доклада 26 января 1939 года в Вашингтоне на ежегодной конференции по теоретической физике, когда ухватили суть идеи. После открытия деления Ган и Штрассман пересмотрели свои опыты и нашли, так же, как и их коллеги, что радиоактивность облученного урана связана не с трансуранами, а с распадом образовавшихся при делении радиоактивных элементов из середины таблицы Менделеева.

Как проходит цепная реакция в уране? Вскоре после того, как была экспериментально доказана возможность деления ядер урана и тория (а других делящихся элементов на Земле в сколько-нибудь значимом количестве нет), работавшие в Принстоне Нильс Бор и Джон Уиллер, а также независимо от них советский физик-теоретик Я. И. Френкель и немцы Зигфрид Флюгге и Готфрид фон Дросте создали теорию деления ядра. Из нее следовали два механизма. Один - связанный с пороговым поглощением быстрых нейтронов. Согласно ему, для инициации деления нейтрон должен обладать довольно большой энергией, более 1 МэВ для ядер основных изотопов - урана-238 и тория-232. При меньшей энергии поглощение нейтрона ураном-238 имеет резонансный характер. Так, нейтрон с энергией 25 эВ имеет в тысячи раз большую площадь сечения захвата, чем с другими энергиями. При этом никакого деления не будет: уран-238 станет ураном-239, который с периодом полураспада 23,54 минуты превратится в нептуний-239, тот, с периодом полураспада 2,33 дня, - в долгоживущий плутоний-239. Торий-232 станет ураном-233.

Второй механизм - беспороговое поглощение нейтрона, ему следует третий более-менее распространенный делящийся изотоп - уран-235 (а равно и отсутствующие в природе плутоний-239 и уран-233): поглотив любой нейтрон, даже медленный, так называемый тепловой, с энергией как у молекул, участвующих в тепловом движении, - 0,025 эВ, такое ядро разделится. И это очень хорошо: у тепловых нейтронов площадь сечения захвата в четыре раза выше, чем у быстрых, мегаэлектронвольтных. В этом значимость урана-235 для всей последующей истории атомной энергетики: именно он обеспечивает размножение нейтронов в природном уране. После попадания нейтрона ядро урана-235 становится нестабильным и быстро делится на две неравные части. Попутно вылетает несколько (в среднем 2,75) новых нейтронов. Если они попадут в ядра того же урана, то вызовут размножение нейтронов в геометрической прогрессии - пойдет цепная реакция, что приведет к взрыву из-за быстрого выделения огромного количества тепла. Ни уран-238, ни торий-232 так работать не могут: ведь при делении вылетают нейтроны со средней энергией 1–3 МэВ, то есть при наличии энергетического порога в 1 МэВ значительная часть нейтронов заведомо не сможет вызвать реакцию, и размножения не будет. А значит, про эти изотопы следует забыть и придется замедлять нейтроны до тепловой энергии, чтобы они максимально эффективно взаимодействовали с ядрами урана-235. При этом нельзя допустить их резонансного поглощения ураном-238: все-таки в природном уране этот изотоп составляет чуть меньше 99,3% и нейтроны чаще сталкиваются именно с ним, а не с целевым ураном-235. А действуя замедлителем, можно поддерживать размножение нейтронов на постоянном уровне и взрыва не допустить - управлять цепной реакцией.

Расчет, проведенный Я. Б. Зельдовичем и Ю. Б. Харитоном в том же судьбоносном 1939 году, показал, что для этого нужно применить замедлитель нейтронов в виде тяжелой воды или графита и обогатить ураном-235 природный уран по меньшей мере в 1,83 раза. Тогда эта идея показалась им чистой фантазией: «Следует отметить, что примерно двойное обогащение тех довольно значительных количеств урана, которые необходимы для осуществления цепного взрыва, <...> представляет собой чрезвычайно громоздкую, близкую к практической невыполнимости задачу». Сейчас эта задача решена, и атомная промышленность серийно выпускает для электростанций уран, обогащенный ураном-235 до 3,5%.

Что такое спонтанное деление ядер? В 1940 году Г. Н. Флеров и К. А. Петржак обнаружили, что деление урана может происходить спонтанно, без всякого внешнего воздействия, правда период полураспада гораздо больше, чем при обычном альфа-распаде. Поскольку при таком делении тоже получаются нейтроны, если не дать им улететь из зоны реакции, они-то и послужат инициаторами цепной реакции. Именно это явление используют при создании атомных реакторов.

Зачем нужна атомная энергетика? Зельдович и Харитон были в числе первых, кто посчитал экономический эффект атомной энергетики («Успехи физических наук», 1940, 23, 4). «...В настоящий момент еще нельзя сделать окончательных заключений о возможности или невозможности осуществления в уране ядерной реакции деления с бесконечно разветвляющимися цепями. Если такая реакция осуществима, то автоматически осуществляется регулировка скорости реакции, обеспечивающая спокойное ее протекание, несмотря на огромное количество находящейся в распоряжении экспериментатора энергии. Это обстоятельство исключительно благоприятно для энергетического использования реакции. Приведем поэтому - хотя это и является делением шкуры неубитого медведя - некоторые числа, характеризующие возможности энергетического использования урана. Если процесс деления идет на быстрых нейтронах, следовательно, реакция захватывает основной изотоп урана (U238), то <исходя из соотношения теплотворных способностей и цен на уголь и уран> стоимость калории из основного изотопа урана оказывается примерно в 4000 раз дешевле, чем из угля (если, конечно, процессы "сжигания" и теплосъема не окажутся в случае урана значительно дороже, чем в случае угля). В случае медленных нейтронов стоимость "урановой" калории (если исходить из вышеприведенных цифр) будет, принимая во внимание, что распространенность изотопа U235 равна 0,007, уже лишь в 30 раз дешевле "угольной" калории при прочих равных условиях».

Первую управляемую цепную реакцию провел в 1942 году Энрико Ферми в Чикагском университете, причем управляли реактором вручную - задвигая и выдвигая графитовые стержни при изменении потока нейтронов. Первая электростанция была построена в Обнинске в 1954 году. Помимо выработки энергии первые реакторы работали еще и на производство оружейного плутония.

Как функционирует атомная станция? Сейчас большинство реакторов работают на медленных нейтронах. Обогащенный уран в виде металла, сплава, например с алюминием, или в виде оксида складывают в длинные цилиндры - тепловыделяющие элементы. Их определенным образом устанавливают в реакторе, а между ними вводят стержни из замедлителя, которые и управляют цепной реакцией. Со временем в тепловыделяющем элементе накапливаются реакторные яды - продукты деления урана, также способные к поглощению нейтронов. Когда концентрация урана-235 падает ниже критической, элемент выводят из эксплуатации. Однако в нем много осколков деления с сильной радиоактивностью, которая уменьшается с годами, отчего элементы еще долго выделяют значительное количество тепла. Их выдерживают в охлаждающих бассейнах, а затем либо захоранивают, либо пытаются переработать - извлечь несгоревший уран-235, наработанный плутоний (он шел на изготовление атомных бомб) и другие изотопы, которым можно найти применение. Неиспользуемую часть отправляют в могильники.

В так называемых реакторах на быстрых нейтронах, или реакторах-размножителях, вокруг элементов устанавливают отражатели из урана-238 или тория-232. Они замедляют и отправляют обратно в зону реакции слишком быстрые нейтроны. Замедленные же до резонансных скоростей нейтроны поглощают названные изотопы, превращаясь соответственно в плутоний-239 или уран-233, которые могут служить топливом для атомной станции. Так как быстрые нейтроны плохо реагируют с ураном-235, нужно значительно увеличивать его концентрацию, но это окупается более сильным потоком нейтронов. Несмотря на то что реакторы-размножители считаются будущим атомной энергетики, поскольку дают больше ядерного топлива, чем расходуют, - опыты показали: управлять ими трудно. Сейчас в мире остался лишь один такой реактор - на четвертом энергоблоке Белоярской АЭС.

Как критикуют атомную энергетику? Если не говорить об авариях, то основным пунктом в рассуждениях противников атомной энергетики сегодня стало предложение добавить к расчету ее эффективности затраты по защите окружающей среды после выведения станции из эксплуатации и при работе с топливом. В обоих случаях возникают задачи надежного захоронения радиоактивных отходов, а это расходы, которые несет государство. Есть мнение, что если переложить их на себестоимость энергии, то ее экономическая привлекательность пропадет.

Существует оппозиция и среди сторонников атомной энергетики. Ее представители указывают на уникальность урана-235, замены которому нет, потому что альтернативные делящиеся тепловыми нейтронами изотопы - плутоний-239 и уран-233 - из-за периода полураспада в тысячи лет в природе отсутствуют. А получают их как раз вследствие деления урана-235. Если он закончится, исчезнет прекрасный природный источник нейтронов для цепной ядерной реакции. В результате такой расточительности человечество лишится возможности в будущем вовлечь в энергетический цикл торий-232, запасы которого в несколько раз больше, чем урана.

Теоретически для получения потока быстрых нейтронов с мегаэлектронвольтными энергиями можно использовать ускорители частиц. Однако если речь идет, например, о межпланетных полетах на атомном двигателе, то реализовать схему с громоздким ускорителем будет очень непросто. Исчерпание урана-235 ставит крест на таких проектах.

Что такое оружейный уран? Это высокообогащенный уран-235. Его критическая масса - она соответствует размеру куска вещества, в котором самопроизвольно идет цепная реакция, - достаточно мала для того, чтобы изготовить боеприпас. Такой уран может служить для изготовления атомной бомбы, а также как взрыватель для термоядерной бомбы.

Какие катастрофы связаны с применением урана? Энергия, запасенная в ядрах делящихся элементов, огромна. Вырвавшись из-под контроля по недосмотру или вследствие умысла, эта энергия способна натворить немало бед. Две самые чудовищные ядерные катастрофы случились 6 и 8 августа 1945 года, когда ВВС США сбросили атомные бомбы на Хиросиму и Нагасаки, в результате чего погибли и пострадали сотни тысяч мирных жителей. Катастрофы меньшего масштаба связаны с авариями на атомных станциях и предприятиях атомного цикла. Первая крупная авария случилась в1949 году в СССР на комбинате «Маяк» под Челябинском, где нарабатывали плутоний; жидкие радиоактивные отходы попали в речку Течу. В сентябре 1957 года на нем же произошел взрыв с выбросом большого количества радиоактивного вещества. Через одиннадцать дней сгорел британский реактор по наработке плутония в Уиндскейле, облако с продуктами взрыва рассеялось над Западной Европой. В 1979 году сгорел реактор на АЭС Тримейл-Айленд в Пенсильвании. К наиболее масштабным последствиям привели аварии на Чернобыльской АЭС (1986) и АЭС в Фукусиме (2011), когда воздействию радиации подверглись миллионы людей. Первая засорила обширные земли, выбросив в результате взрыва 8 тонн уранового топлива с продуктами распада, которые распространились по Европе. Вторая загрязнила и спустя три года после аварии продолжает загрязнять акваторию Тихого океана в районах рыбных промыслов. Ликвидация последствий этих аварий обошлась весьма дорого, и, если бы разложить эти затраты на стоимость электроэнергии, она бы существенно выросла.

Отдельный вопрос - последствия для здоровья людей. Согласно официальной статистике, многим людям, пережившим бомбардировку или живущим на загрязненной территории, облучение пошло на пользу - у первых более высокая продолжительность жизни, у вторых меньше онкологических заболеваний, а некоторое увеличение смертности специалисты связывают с социальным стрессом. Количество же людей, погибших именно от последствий аварий или в результате их ликвидации, исчисляется сотнями человек. Противники атомных электростанций указывают, что аварии привели к нескольким миллионам преждевременных смертей на европейском континенте, просто они незаметны на статистическом фоне.

Вывод земель из человеческого использования в зонах аварий приводит к интересному результату: они становятся своего рода заповедниками, где растет биоразнообразие. Правда, отдельные животные страдают от болезней, связанных с облучением. Вопрос, как быстро они приспособятся к повышенному фону, остается открытым. Есть также мнение, что последствием хронического облучения оказывается «отбор на дурака» (см. «Химию и жизнь», 2010, №5): еще на стадии эмбриона выживают более примитивные организмы. В частности, применительно к людям это должно приводить к снижению умственных способностей у поколения, родившегося на загрязненных территориях вскоре после аварии.

Что такое обедненный уран? Это уран-238, оставшийся после выделения из него урана-235. Объемы отхода производства оружейного урана и тепловыделяющих элементов велики - в одних США скопилось 600 тысяч тонн гексафторида такого урана (о проблемах с ним см. «Химию и жизнь», 2008, №5). Содержание урана-235 в нем - 0,2%. Эти отходы надо либо хранить до лучших времен, когда будут созданы реакторы на быстрых нейтронах и появится возможность переработки урана-238 в плутоний, либо как-то использовать.

Применение ему нашли. Уран, как и другие переходные элементы, используют в качестве катализатора. Например, авторы статьи в ACS Nano от 30 июня 2014 года пишут, что катализатор из урана или тория с графеном для восстановления кислорода и перекиси водорода «имеет огромный потенциал для применения в энергетике». Поскольку плотность урана высока, он служит в качестве балласта для судов и противовесов для самолетов. Годится этот металл и для радиационной защиты в медицинских приборах с источниками излучения.

Какое оружие можно делать из обедненного урана? Пули и сердечники для бронебойных снарядов. Расчет здесь такой. Чем тяжелее снаряд, тем выше его кинетическая энергия. Но чем больше размер снаряда, тем менее концентрирован его удар. Значит, нужны тяжелые металлы, обладающие высокой плотностью. Пули делают из свинца (уральские охотники одно время использовали и самородную платину, пока не поняли, что это драгоценный металл), сердечники же снарядов - из вольфрамового сплава. Защитники природы указывают, что свинец загрязняет почву в местах боевых действий или охоты и лучше бы заменить его на что-то менее вредное, например на тот же вольфрам. Но вольфрам недешев, а сходный с ним по плотности уран - вот он, вредный отход. При этом допустимое загрязнение почвы и воды ураном примерно в два раза больше, чем для свинца. Так получается потому, что слабой радиоактивностью обедненного урана (а она еще и на 40% меньше, чем у природного) пренебрегают и учитывают действительно опасный химический фактор: уран, как мы помним, ядовит. В то же время его плотность в 1,7 раза больше, чем у свинца, а значит, размер урановых пуль можно уменьшить в два раза; уран гораздо более тугоплавкий и твердый, чем свинец, - при выстреле он меньше испаряется, а при ударе в цель дает меньше микрочастиц. В общем, урановая пуля меньше загрязняет окружающую среду, чем свинцовая, правда, достоверно о таком использовании урана неизвестно.

Зато известно, что пластины из обедненного урана применяют для укрепления брони американских танков (этому способствуют его высокие плотность и температура плавления), а также вместо вольфрамового сплава в сердечниках для бронебойных снарядов. Урановый сердечник хорош еще и тем, что уран пирофорен: его горячие мелкие частицы, образовавшиеся при ударе о броню, вспыхивают и поджигают все вокруг. Оба применения считаются радиационно безопасными. Так, расчет показал, что, даже просидев безвылазно год в танке с урановой броней, загруженном урановым боекомплектом, экипаж получит лишь четверть допустимой дозы. А чтобы получить годовую допустимую дозу, надо на 250 часов прикрутить к поверхности кожи такой боеприпас.

Снаряды с урановыми сердечниками - к 30-мм авиационным пушкам или к артиллерийским подкалиберным - применяли американцы в недавних войнах, начав с иракской кампании 1991 года. В тот год они высыпали на иракские бронетанковые части в Кувейте и при их отступлении 300 тонн обедненного урана, из них 250 тонн, или 780 тысяч выстрелов, пришлось на авиационные пушки. В Боснии и Герцеговине при бомбежках армии непризнанной Республики Сербской было истрачено 2,75 тонны урана, а при обстрелах югославской армии в крае Косово и Метохия - 8,5 тонн, или 31 тысяча выстрелов. Поскольку ВОЗ к тому времени озаботилась последствиями применения урана, был проведен мониторинг. Он показал, что один залп состоял примерно из 300 выстрелов, из которых 80% содержало обедненный уран. В цели попадало 10%, а 82% ложилось в пределах 100 метров от них. Остальные рассеивались в пределах 1,85 км. Снаряд, попавший в танк, сгорал и превращался в аэрозоль, легкие цели вроде бронетранспортеров урановый снаряд прошивал насквозь. Таким образом, в урановую пыль в Ираке могло превратиться от силы полторы тонны снарядов. По оценкам же специалистов американского стратегического исследовательского центра «RAND Corporation», в аэрозоль превратилось больше, от 10 до 35% использованного урана. Борец с урановыми боеприпасами хорват Асаф Дуракович, работавший во множестве организаций от эр-риядского Госпиталя короля Фейсала до вашингтонского Уранового медицинского исследовательского центра, считает, что только в Южном Ираке в 1991 году образовалось 3–6 тонн субмикронных частиц урана, которые рассеялись по обширному району, то есть урановое загрязнение там сопоставимо с чернобыльским.