Атомная электростанция
Как ни парадоксально, но война — это главный двигатель прогресса. Государства не жалеют средств на военные расходы, и поэтому новые технологии, требующие немалых вложений, обычно испытываются в военной промышленности. Так произошло и с атомной энергией. Её мощь впервые применили в атомной бомбе, и лишь спустя десятилетие атому нашлось мирное применение — производство электроэнергии на атомных электростанциях (АЭС). В 1954 г. в СССР была построена Обнинская атомная электростанция — первая в мире АЭС.
Атом и электрон
История атомной энергетики начинается с открытия электрона в 1897 г. До этого атом считался самой малой частицей материи, были известны атомные массы многих химических элементов (они указаны в таблице Менделеева). Английский физик Джозеф Джон Томпсон в 1897 г. заметил, что магнитное поле слишком резко отклоняет катодные лучи — если они состоят из атомов, то должны отклоняться значительно меньше.
Следовательно, катодные лучи состоят из частиц меньше и легче атома — так Томпсон открыл электроны. В 1911-1913 гг. английский физик Эрнест Резерфорд и датский физик Нильс Бор представили атом в виде «+» заряженного ядра, вокруг которого по орбитам вращаются «-» заряженные электроны, удерживаясь силами взаимодействия противоположных зарядов, так же как планеты удерживаются притяжением Солнца.
Тайны ядра
В 1930-х гг. открыли, что ядро атома состоит из ещё более мелких элементарных частиц: «+» заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Протоны стабильны, а нейтрон может «превратиться» в протон и электрон. Химические элементы отличаются друг от друга числом протонов в атомном ядре (атомным номером). Но у одного элемента может быть несколько изотопов — разновидностей атомов с разным числом нейтронов (разной атомной массой).
Протоны и нейтроны удерживаются в ядре за счёт специфического ядерного взаимодействия, обладающего высокой энергией. Изотопы бывают стабильными и склонными к распаду — радиоактивными (от лат. radiatio — излучение). Радиоактивность открыли в конце XIX в., огромный вклад в её изучение внесли французские учёные Мария и Пьер Кюри. К 1900 г. уже были известны 5 радиоактивных веществ: уран, торий, полоний, радий, актиний. Один из вариантов радиоактивного распада атомного ядра — это деление на осколки (ядра более лёгких элементов) с испусканием нейтронов, электронов и фотонов с высокой энергией (гамма-излучением) и высвобождением энергии ядерного взаимодействия, которая называется ядерной энергией.
Энергия урана
Естественный металлический уран, полученный из урановой руды, на 99,3% состоит из изотопа U-238 с атомной массой 238 и на 0,7% из изотопа U-235 с атомной массой 235. Оба изотопа радиоактивны. При делении ядра атома урана испускаются нейтроны с различной энергией (от нулевой до очень высокой). Нейтроны с высокой энергией движутся быстро и называются быстрыми нейтронами, нейтроны с малой энергией называются медленными (тепловыми) нейтронами. Ядра U-238 и U-235 по-разному взаимодействуют с нейтронами. Попадание быстрого нейтрона может вызвать деление ядра U-238 с высвобождением большого количества энергии, а медленные нейтроны обычно захватываются ядром U-238 без деления. В естественных условиях быстрые нейтроны сразу сталкиваются с другими частицами и замедляются ещё до попадания в ядро урана, поэтому деление U-238 происходит редко.
Ядра U-235 чаще делятся при попадании в них медленных нейтронов, распадаются на 2 осколка, два ядра других химических элементов — например, бария (Br) и криптона (Kr). При этом испускается 2-3 нейтрона и высвобождается ядерная энергия. В 1938 г. немецкие физики и химики О. Ган, Ф. Штрассман и Л. Мейтнер, облучив ядра U-235 потоком нейтронов, впервые вызвали их искусственное деление.
Цепная реакция
Ядерная энергия, уносимая осколками ядра, сильно нагревает окружающее вещество и может привести к взрыву. Но для высвобождения такого количества ядерной энергии требуется, чтобы ядра урана делились непрерывно, т. е. чтобы шла самоподдерживающаяся цепная реакция (СЦР). В природном уране этого не происходит, потому что быстрые нейтроны сразу замедляются и захватываются ядрами U-238, которых в 140 раз больше, чем ядер U-235.
Вероятность попадания медленного нейтрона в ядро U-235 или быстрого нейтрона в ядро U-238 очень мала, и СЦР не начинается. Для получения СЦР природный уран обогащают изотопами U-235, а чтобы U-235 эффективнее захватывал нейтроны, нейтроны максимально замедляют. Итальянский физик Энрико Ферми в 1934 г. нашёл способ замедлять нейтроны водой (Н2О): попадая в воду, нейтроны урана многократно сталкиваются с протонами ядер водорода (Н), теряют свою энергию и замедляются, подобно бильярдным шарам, столкнувшимся друг с другом. Замедленные нейтроны в обогащённом уране чаще вступают в ядерные реакции. Один медленный нейтрон, попавший в ядро U-235, высвобождает 2-3 новых нейтрона, и реакция нарастает лавинообразно.
Чудовищное изобретение
Открытиями физиков-ядерщиков сразу заинтересовались военные, желая применить мощь ядерной энергии в оружии, в атомной (ядерной) бомбе. За разработку идеи атомной бомбы взялись несколько стран — Германия, США, Великобритания, СССР. Но из-за Второй мировой войны этот долгосрочный проект первыми смогли осуществить США. В 1942 г. американцы запустили первый ядерный реактор — устройство для организации управляемой СЦР. В 1943 г. в США стартовал «Манхэттенский проект» по созданию атомной бомбы, в котором участвовали лучшие умы мира, в их числе Н. Бор и Э. Ферми.
В 1945 г. атомная бомба была создана. Американцы испытали атомное оружие самым бесчеловечным способом. В августе 1945 г. они сбросили ядерные бомбы на мирные японские города Хиросиму и Нагасаки. Человечество ужаснулось мощи нового оружия и впервые узнало о страшных последствиях радиации: более 100 000 японцев погибли во время взрывов, и ещё более 300 000 умерли от мучительной лучевой болезни и иных последствий радиационного облучения.
Невидимое и неосязаемое гамма-излучение — очень опасный для человека вид радиации, воздействующий на клетки нашего организма, заставляя их работать в несвойственном им режиме. В результате возникают патологии, приводящие к лёгочным и онкологическим заболеваниям, к рождению мутировавшего потомства. Большая доза радиации приводит к развитию смертельной лучевой болезни.
Советский ответ
В СССР созданием атомной бомбы с 1943 г. занималась группа физиков под руководством И. В. Курчатова. Но тяготы войны не позволяли СССР ускорить процесс создания бомбы. Бомбардировка японских городов вынудила СССР, пренебрегая иными нуждами разрушенной войной страны, вложить все силы и средства в создание своей атомной бомбы, чтобы защититься от ядерной угрозы. Первый советский атомный реактор был запущен в 1946 г., а советская атомная бомба была испытана в 1949 г. на полигоне у Семипалатинска.
Мирный атом
Советские учёные первыми задумались о мирном применении атомной энергии — ещё в 1948 г. Курчатов выдвинул проект электростанции на ядерном топливе. Первая атомная электростанция (АЭС) открылась в 1954 г. в г. Обнинске Калужской области.
В реакторе станции проходила контролируемая ядерная реакция с выделением тепла. В конечном итоге это тепло превращало воду в пар, вращающий турбину электрогенератора, производящего электроэнергию. В СССР стали активно строить АЭС, которые в ряде случаев оказались намного экономичнее ТЭС (тепловая электростанция), расходующих много угля или газа. 1 кг урана даёт столько же энергии, сколько 2 300 000 кг угля, а по добыче урана Россия занимает третье место в мире.
Развитие идеи
Эксплуатация АЭС требует особых мер безопасности — любое ослабление контроля за протеканием ядерной реакции может привести к трагедии. Крупнейшая авария в истории атомной энергетики
случилась в 1986 г. в СССР на Чернобыльской АЭС (сейчас —Украина). Ряд нарушений технологического процесса привёл к перегреву и взрыву реактора 4 — го энергоблока АЭС. Реактор и его здание были разрушены, начался пожар, окружающую среду загрязнил мощный выброс радиоактивных веществ (изотопов урана, плутония и пр.). Во время взрыва погибли 2 человека, но в результате радиационного заражения непригодной для жизни стала 30 — километровая зона вокруг АЭС, откуда были эвакуированы все жители. Припять (48 000 чел.) превратилась в «мёртвый» город, в Чернобыле осталось около 500 жителей. Период распада некоторых радиоактивных элементов, попавших в почву и водоёмы, составляет сотни лет, и радиационный фон в этих местах до сих пор остаётся опасным для жизни. В 2011 г. из-за сильного землетрясения произошла крупная авария на японской АЭС Фукусима — 1.
Ядерные реакторы используются в атомных установках опреснения воды, в научных целях и в качестве генераторов энергии для электродвигателей гребных винтов атомных подводных лодок, военных кораблей и ледоколов. Реактор, экономично расходующий ядерное топливо, — идеальный поставщик энергии для морских судов, у которых в длительных плаваниях нет возможности дозаправиться топливом. Россия — единственная страна, обладающая флотом атомных ледоколов.