Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

Указанные выше основные пути получения энергии атомных ядер ныне практически реализуются: первый — в реакции деления тяжелых ядер урана или плутония, второй — в термоядерной реакции с водородом.

Как известно из вышеизложенного, ядерными реакциями называются превращения атомных ядер одного химического элемента в ядра какого-либо другого элемента.

От открытия ядерных реакций, самопроизвольно протекающих при радиоактивном распаде некоторых элементов в природе, до практического осуществления ядерных реакций с целью получения ядерной энергии наука прошла почти полувековой путь.

Важным этапом здесь было изучение искусственных ядерных реакций, производимых по методу «ядерной» артиллерии. Обстреливая атомы различных элементов быстрыми частицами (альфа-частицами, протонами, дейтеронами и т. п.), ученым удалось осуществить в лабораторных условиях тысячи различных ядерных превращений, в которых из одних химических элементов получались другие элементы.

Тем самым ученые XX века решили практически задачу, которую еще в годы открытия периодического закона поставил Д. И. Менделеев. Говоря о химических превращениях (превращениях молекул), Менделеев указывал: «Все учение химии состоит в учении о свойствах элементов. Цель и задача — превратить один в другой — это будет дальше».

Над превращением элементов безуспешно бились средневековые алхимики, стремившиеся получить золото, серебро и другие драгоценные металлы из дешевых свинца, ртути и меди. Но только ученые XX века, изучив свойства атомов и их ядер и овладевая ядерными реакциями, научились осуществлять подобные превращения. И атомы ртути и свинца могут быть средствами современной физики превращены в атомы золота и серебра. В ядре, например, атома ртути 80 протонов. Можно выбить один из них. Мы получим тогда ядро с 79 протонами. Это будет ядро атома золота. Но только золото, добываемое подобным способом, обходится чрезвычайно дорого. Поэтому такой способ производства золота пока не имеет практического значения.

Для обстрела атомных ядер с целью вызвать их превращения нужны очень быстрые частицы. Длительное время единственным источником таких частиц были естественные радиоактивные вещества, испускающие альфа-частицы (ядра гелия). Но альфа-частицы, как и всякие ядра, имеют положительный электрический заряд. Поэтому при приближении к обстреливаемому ядру, также положительно заряженному, альфа-частица испытывает действие силы электрического отталкивания тем большее, чем больше заряд ядра.

Вследствие этого энергии альфа-частиц, испускаемых радиоактивными веществами, хватает лишь для расщепления ядер легких атомов. От более тяжелых ядер природные альфа-частицы отталкиваются, не проникая внутрь их.

Для увеличения скорости заряженных частиц-«снарядов» были созданы весьма сложные установки — ускорители, в которых альфа-частицы, протоны, дейтероны и другие заряженные частицы разгонялись до громадных скоростей и, значит, энергий.

Первые установки такого рода были созданы английскими физиками Кокрофтом и Уолтоном, а затем и советскими физиками Синельниковым и Вальтером, сумевшими получить с помощью этих установок быстрые протоны.

Протоны в качестве «снарядов» для обстрела атомных ядер имеют серьезное преимущество перед альфа-частицами. Оно заключается в том, что заряд у протона в 2 раза меньше заряда альфа-частицы. Вследствие этого сила отталкивания, испытываемая протоном при его приближении к обстреливаемому ядру, будет в 2 раза меньше силы, которую испытывает альфа-частица. Поэтому протону легче проникнуть в ядро и вызвать его превращение. Обстреливая быстрыми протонами атомы лития, Д. Кокрофт и Э. Уолтон в Англии осуществили в 1932 г. расщепление его ядра на две альфа-частицы. Ядро лития с атомным весом 7, захватив попавший в него протон, возбуждается («нагревается») и затем распадается на две альфа-частицы (два ядра гелия), разлетающиеся в прямо противоположных направлениях с большой скоростью.

Освобождаемая в этой реакции ядерная энергия переходит в кинетическую энергию быстро движущихся альфа-частиц. Величина ее оказывается большой и составляет около 17,2 Мэв на каждое ядро лития. Если бы можно было таким способом расщепить 1 г лития, то выделившаяся энергия составила бы около 56 млн. ккал .

Расщепление лития быстрыми протонами было первой искусственной ядерной реакцией, в которой освобождалось большое количество ядерной энергии. Это указывало на принципиальную возможность получения ядерной энергии с помощью искусственно вызываемых превращений атомных ядер.

Важную роль в развитии ядерной физики сыграл циклический ускоритель заряженных частиц — циклотрон, предложенный и построенный американским физиком Э. Лоуренсом в 1932 г. В этом ускорителе разгоняемые частицы движутся по круговой траектории с постепенно увеличивающимся радиусом, делая определенное, строго постоянное число оборотов, или циклов, в каждую секунду (отсюда и само название циклический ускоритель, или циклотрон). При помощи циклотрона протоны можно разогнать до скоростей, соответствующих энергии в 10 Мэв , имея переменное электрическое напряжение, измеряемое всего лишь тысячами вольт. Именно с циклотрона начинается фактически история современных ускорителей.

Позже были созданы ускорители, с помощью которых можно получать заряженные частицы с энергией в сотни и даже тысячи миллионов электрон-вольт. Это удалось осуществить, используя методы, разработанные советским физиком членом-корреспондентом Академии наук СССР В. И. Векслером в 1944 г. и независимо от него американским физиком Мак-Миланом в 1945 г. Ускоритель, в котором используется один из методов Векслера, называется синхроциклотроном, или фазотроном. Крупнейшим в мире ускорителем этого типа является синхроциклотрон, построенный в 1949 г. в Институте ядерных проблем Академии наук СССР. Это — крупное инженерное сооружение, внешний вид которого дан на рис. 21. Синхроциклотрон позволяет ускорять протоны до энергий 680 Мэв .

Эта установка вместе с другим оборудованием передана Советским государством в 1956 г. Объединенному институту ядерных исследований в г. Дубна.