Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Ядро атома состоит из частиц, называемых нуклонами. Существует два вида нуклонов, почти идентичных по массе: несущие положительный заряд протоны и лишенные электрического заряда нейтроны. Число протонов Z (или атомное число ) является характеристикой химического элемента. Общее число нуклонов A называется массовым числом . Два ядра одного и того же элемента, для которых числа A различны, называются изотопами. Таким образом, углерод ( Z = 6) имеет несколько изотопов, каждый из них имеет 6 протонов, но разное количество нейтронов. Два изотопа углерода, с массовыми числами 12 и 13 соответственно, являются стабильными; их записывают как 12С и 13С. Еще один изотоп, углерод-14 ( 14С), является нестабильным. Он, испуская электрон, произвольно превращается в ядро азота 14N ( Z = 7): говорят, что он радиоактивен.

Типы распада различаются в зависимости от характера частиц, испускаемых при ядерной трансформации. Испускание электрона или позитрона (частицы, идентичной электрону, но с противоположным зарядом) называется бета-распадом. Другой тип радиоактивности относится к «тяжелым» ядрам и соответствует испусканию ядра гелия – это альфа-распад. Наконец, гамма-распад означает излучение ядром фотона с очень высокой энергией. Излучение, испускаемое радиоактивными элементами, способно проникать в большей или меньшей степени сквозь любую материю. В зависимости от характера и интенсивности оно может представлять угрозу для здоровья.

Схема радиоактивного распада углерода-14. Нейтроны представлены красным цветом, протоны – синим

Проникающая способность различных радиоактивных излучений

Не любой изотоп урана способен подвергаться ядерному делению; расщепляется только 235U (илл. 3). При этом находящийся в природных минералах уран содержит только 0,71 % этого изотопа, а наиболее распространенным изотопом является 238U, который расщеплению не подвержен. Такой природный уран перед подачей в реактор должен быть обогащен 235U, что осуществляется на заводах по обогащению урана.

3. Принцип цепной реакции. Бомбардировка расщепляемого ядра нейтронами приводит к его делению на два более легких ядра. При этом расщепление сопровождается выделением тепла, а также испусканием излучения и одного или нескольких нейтронов, которые могут привести к последующему делению ядер

Ядерная безопасность требует значительных мер предосторожности, потому что перегруженный реактор сравним по разрушительному воздействию с… атомной бомбой!

Мы уже знаем, что в реакторе тепло выделяется при расщеплении ядра урана-235 на два более легких ядра. Это деление не спонтанно: его вызывает бомбардировка нейтронами (илл. 3). Деление ядра сопровождается испусканием нескольких нейтронов (обычно двух-трех). При этом испущенные нейтроны с большой вероятностью вызывают последующие расщепления, которые, в свою очередь, высвободят новые нейтроны, и так далее: таким образом запускается цепная реакция . Это происходит только в том случае, если масса расщепляемого урана превышает определенную «критическую массу» (см. главу 13, врезку «Рождение атомной бомбы»): действительно, для небольшого блока урана-235 испускаемые нейтроны с высокой вероятностью покинут его раньше, чем успеют столкнуться с другим ядром и вызвать новое деление. Когда расщепляющаяся масса оказывается выше критической (несколько десятков килограммов чистого урана-235), то цепная реакция выходит из-под контроля: с течением времени происходит все большее число делений, в результате которых выделяется все больше тепла и радиоактивных элементов.

Как избежать превращения ядерного реактора в атомную бомбу? Для предотвращения неконтролируемой цепной реакции в реактор вводятся так называемые стержни управления , изготовленные из поглощающего нейтроны материала (например, сделанного на основе кадмия, карбида бора, серебра или индия). Некоторые из этих стержней висят над топливом и в случае неисправности падают, чтобы остановить цепную реакцию. Помимо этих поглощающих стержней, в большинстве ядерных реакторов, используемых в настоящее время (и во всех реакторах во Франции), топливо окружено «замедлителем» (обычно водой), роль которого заключается в торможении нейтронов, высвобожденных при расщеплении. Такое замедление нейтронов повышает их способность производить новые деления, что позволяет использовать уран с низкой степенью обогащения 235U (порядка 4 %). Для создания атомной бомбы такой низкообогащенный уран не подходит. Если в реакторе с замедленными нейтронами начнется неконтролируемая реакция, то последующий взрыв рассеет расщепленный материал и быстро остановит цепную реакцию. Именно это произошло в Чернобыле в 1986 году: после серии совершенных людьми ошибок начавшаяся в реакторе неконтролируемая реакция вызвала его разрушение, к счастью, не высвободив всю запасенную в топливе энергию. Иначе развернулись события при аварии на Фукусиме, спровоцированной цунами в 2011 году (илл. 4): цепная реакция была остановлена устройствами безопасности, тем не менее прекращение охлаждения реакторов вызвало взрыв.

4. Авария на АЭС Фукусима-1, Япония, март 2011 года. Различные повреждения, вызванные цунами, привели к прекращению охлаждения реакторов. В результате интенсивно выделяемое продуктами распада тепло инициировало химическую реакцию, которая привела к выделению охлаждающей жидкостью водорода H 2 . Затем этот водород взорвался, выбросив радиоактивные продукты в атмосферу

Оценка критической массы урана-235, необходимой для начала цепной реакции, была важной задачей физиков во время Второй мировой войны. По всей вероятности, немцы, особенно Вернер Гейзенберг, завысили ее, потому и не стали прилагать много усилий к созданию атомной бомбы: они сочли ее слишком тяжелой для транспортировки самолетом. Тем не менее на другой стороне Ла-Манша Рудольф Пайерлс (также немец по происхождению, поселившийся в Великобритании после прихода Адольфа Гитлера к власти в 1933 году) нашел верный способ рассчитать критическую массу. Он даже опубликовал его, не понимая, какое военное применение может получить это открытие! Зато это хорошо понимал эмигрировавший в Британию австриец Отто Фриш. В 1940 году Фриш и Пайерлс составили меморандум, на этот раз весьма секретный, который был передан британским властям: ученые описали в нем процесс создания атомной бомбы и обрисовали вероятные разрушительные последствия. К этому очень серьезно отнеслись американцы, и с 1942 года в США была запущена грандиозная программа ядерных исследований, «Проект Манхэттен», с привлечением таких известных ученых, как Энрико Ферми и Роберт Оппенгеймер. В конце концов это привело к атомной бомбардировке японских городов Хиросимы и Нагасаки в августе 1945 года.