„ФИЛОСОФСКИЙ КАМЕНЬ" СЕГОДНЯШНИХ АЛХИМИКОВ
И вот тут-то в самый раз, прервав на время рассказ о неуловимых элементах, повести разговор о событиях, которые всего каких-нибудь двадцать лет после открытия радиоактивности вызвали на страницах научных журналов ставшее старомодным и покрывшиеся уже пылью времени слово „алхимия".
Впрочем, трудно усмотреть что-либо алхимическое в приборе, который сконструировал в 1919 году знаменитый английский физик Резерфорд. Прибор был предназначен для изучения радиоактивных свойств немногих известных к тому времени радиоактивных элементов. Радиоактивное излучение обнаруживалось по возникновению вспышек на экране из сернистого цинка. Дело в том, что при соударении частицы, вылетающей из ядра радиоактивного элемента, с кристаллами сернистого цинка наблюдается небольшая вспышка, которую можно заметить в увеличительное стекло. Радиоактивные препараты помещались на штативе в самом центре прибора.
Итак, все весьма просто, и ничего достойного удивления нет. Не было причин для удивления и тогда, когда Резерфорд обнаружил, что вспышки на экране прекращаются, если между радиоактивным элементом и экраном поставить тонкую металлическую или слюдяную пластинку.
Ясно, что радиоактивные лучи не могут проникнуть через преграду.
Трудно сказать, что побудило Резерфорда в одном из опытов заполнить камеру водородом. И вот тут-то стали наблюдаться совершенно удивительные вещи. Несмотря на то что между источником радиоактивного излучения и экраном стояла металлическая преграда, вспышки на экране появлялись точно так же, как будто бы перегородки не было. Впрочем, вспышки прекращались тотчас же, как только выпускали водород.
Объяснение этому явлению было найдено не сразу. Как это часто бывает, вначале в голову приходили самые невероятные идеи, и, как водится, разгадка была удивительно проста и вместе с тем многозначительна.
Естественные радиоактивные элементы (в данном случае это был полоний) испускают так называемые альфа-лучи: ядра атомов гелия. Гелий имеет атомный вес 4, следовательно, его атомы вчетверо тяжелее атомов водорода, атомный вес которого равен 1. Альфа-частицы, сталкиваясь с ядрами атомов водорода —протонами, — передают им свою энергию. А так как масса протонов мала в сравнении с массой альфа-частиц, то они приобретают большую скорость, которая позволяет им проходить через преграду.
Вот почему водород делает металлическую пластинку как бы проницаемой для излучения. Просто? Очень просто! Однако самое интересное было впереди.
Когда камеру заполнили другим газом — азотом, то вспышки на экране стали появляться точно так же, как если бы в приборе был водород. Это было уже совсем непонятно. Ведь ядра атомов азота много тяжелее, чем альфа-частицы (в 3,5 раза), и если перегородка непроницаема для гелия, то тем более она должна задерживать азот.
Но почему же все-таки появляются вспышки на экране? Как проходят радиоактивные частицы через экран, который может пропускать в лучшем случае только ядра водорода? Может быть, к азоту случайно примешан водород? В камеру был впущен азот, тщательно очищенный от каких-либо посторонних примесей и особенно от водорода. Однако вспышки на экране появлялись с прежней регулярностью.
Оставалось предположить только одно: очевидно, водород каким-либо образом образуется в камере из азота под действием радиоактивного излучения. Поначалу эта мысль показалась дикой. Но последовали опыты, убедительно доказывающие, что предположение было совершенно правильным. Да, действительно, из азота в камере образовывался водород.
Так была реализована первая ядерная реакция, увидев которую добропорядочный химик середины прошлого столетия долго и недоуменно пожимал бы плечами и так бы ушёл, ничего не поняв:
N + Не = О + Н.
Впрочем, даже самый консервативный химик, вглядевшись в это уравнение реакции, должен был бы признать, что здесь все правильно. Заряд атома азота 7+ , альфа-частицы 2 + . Сумма равна девяти. Нетрудно убедиться, что сумма зарядов ядер атомов элементов, образующихся в результате этой реакции, также равна девяти: водород — один, кислород — восемь.
Реакция Резерфорда открыла учёным совершенно новый мир превращений, мир, границы которого и поныне не достигнуты и вряд ли будут достигнуты в ближайшие десятилетия.
С помощью альфа-частиц, вылетающих из ядер естественных радиоактивных элементов, например полония или радия, химики, или, вернее, физики, а ещё вернее — алхимики, осуществили многие ядерные реакции. Однако очень скоро этот единственный калибр показался им явно недостаточным.
Бросить упрек химикам-физикам-алхимикам в привередливости трудно.
В самом деле, представим себе, как происходит обстрел атомных ядер этими снарядами. Вот летит нацеленная в ядро положительно заряженная альфа-частица. Путь к ядру преграждает мощный заслон электронов: вокруг каждого ядра вращаются электроны. Альфа-частица с трудом продирается через электронное облако. Каждый из электронов хищно урывает свою долю энергии движения альфа-частицы. Электроны в данном случае разбойничают поневоле: просто их заряд противоположен заряду альфа-частицы и они поэтому притягивают снаряд, замедляя его скорость.
Пройдя через преграду, сооружённую электронами, альфа-частица продолжает свой путь к ядру уже значительно менее резво, чем прежде. Однако самые неприятные испытания ей ещё предстоят. Чем ближе альфа-частица подлетает к ядру, тем сильнее она испытывает отталкивающее действие с его стороны: ведь и ядро — мишень — и альфа-частица заряжены одноименно. Отталкивание это может быть таким сильным, что снаряд подлетит к цели, совершенно потеряв скорость, и ядерная реакция не произойдёт. Более того, снаряд может развернуться на 180°, и альфа-частица полетит в обратном направлении.
Лишь единичным альфа-частицам удаётся достигнуть цели, и вот тогда-то и происходит ядерная реакция. Но «стрельба» в таких условиях никак не может считаться действенной. Путь же, который повысил бы эффективность ядерной бомбардировки, очевиден: надо снарядам придать большую скорость, тогда можно без особого ущерба проскочить мимо хищников-электронов и тогда не страшно отталкивающее действие ядра.
Так физики пришли к идее ускорителей элементарных частиц. Здесь не место описывать эти ускорители. Для этого нужна, по-видимому, совсем другая книга. Но не сомневаюсь, что читатель пусть в самых общих чертах знаком с принципом действия циклотронов, бетатронов, синхрофазотронов — в общем-то довольно сложных устройств, в которых заряженные частицы разгоняются в магнитном поле подчас до скорости, лишь немного уступающей скорости света.
Однако и ускорители не полностью устраивали физиков. Ведь в ускорителях можно разогнать лишь заряженные частицы. А любая положительная частица будет терять какую-то часть энергии, взаимодействуя с электронами, и будет тратить энергию на взаимодействие с ядром. А с отрицательной частицей — электроном — и того хуже. Толстая шуба электронов, которая окружает атомное ядро, задержит львиную долю энергии даже у быстро мчащейся частицы.
Но физики и не думали пребывать в унынии. Ведь в начале 30-х годов был найден универсальный снаряд для ядерной бомбардировки, снаряд, лишённый всех недостатков, присущих и протону, и альфа-частице, и электрону. Это, конечно, нейтрон — элементарная частица, не обладающая никаким зарядом. Вот почему нейтрон с полным равнодушием проходит через рой суетящихся около ядра электронов, невозмутимо приближается к ядру и беспрепятственно падает на него, увеличивая его массовое число на единицу и не изменяя заряда.
По-видимому, я все-таки не совсем верно описываю поведение нейтрона. Чтобы осуществилась ядерная реакция, нейтрон все же должен двигаться с заметной скоростью, иначе он при столкновении не останется в ядре, а отскочит от него, подобно теннисному мячику. Поэтому нейтронам тоже нужно сообщить скорость, и притом довольно значительную. Значит, и нейтроны необходимо разгонять в ускорит... Стоп, нейтроны ведь в ускорителях не разгонишь! И это очевидно каждому: нейтроны не заряжены и поэтому не реагируют на изменения внешнего магнитного поля.
Физики должны были изыскать иные способы ускорения нейтронов. Первый из них был найден сразу. Я бы назвал этот способ бильярдным. Не претендую, чтобы это обозначение вошло в учебники, но суть дела оно всё-таки передаёт.
Берут естественный радиоактивный элемент, испускающий альфа-частицы (например, радий или полоний), и сплавляют его с бериллием — элементом, ядра атомов которого богаты нейтронами. Альфа-частицы, ударяясь о ядра бериллия (а вылетают альфа-частицы из ядра со скоростью около 15 тысяч километров в секунду), выбивают из них нейтроны, которые при этом также приобретают солидную скорость.
Но много ли нейтронов можно получить таким способом? Очень мало. Радий — элемент редкий, полоний — и того реже. Для лабораторных экспериментов такой источник подойдёт, но для промышленного получения радиоактивных изотопов, конечно же, нет.
И поэтому возник второй способ добычи нейтронов. И, право, этот способ стоит, чтобы на нем остановиться подробнее. Ведь речь идёт о ядерных реакторах.
Основа реактора — стержни, сделанные из металлического урана, того самого урана, ядра атомов которого и должны распадаться в реакторе. Когда в ядро атома урана попадает нейтрон, ядро немедленно раскалывается на несколько частей. Ведь уран тяжёлый элемент, и поэтому его «рыхлые» ядра особенно неустойчивы. При распаде обязательно высвобождается несколько нейтронов, которые попадают в ядра соседних атомов. Те распадаются и, в свою очередь, выбрасывают каждый по нескольку нейтронов.
Так происходит в ядерном реакторе реакция, которую очень образно назвали цепной. Чтобы цепная реакция не пошла лавинообразно, что привело бы к взрыву, необходимо часть нейтронов, высвобождающихся при распаде, задерживать. Эту задачу выполняют различные вещества, которые охотно поглощают нейтроны.
Вот почему скорость протекания ядерной реакции в реакторе можно регулировать. Погружены урановые стержни в поглотитель нейтронов — цепная реакция не идёт, реактор бездействует. Чем больше вынимают стержни из поглотителя, тем интенсивнее происходит реакция.
Регулировка высоты стержней в реакторе полностью автоматизирована. Счётчики нейтронов ежесекундно посылают сведения о том, сколько нейтронов высвобождается в данный момент. Как только нейтронов в реакторе появляется больше, чем нужно, автоматические регуляторы погружают поглотители поглубже в реактор. Если счётчики сигнализируют: нейтронов мало, цепная реакция распада атомов урана может угаснуть— регуляторы поднимают стержни.
«Вольных» нейтронов в ядерном реакторе возникает предостаточно. Как видите, проблема здесь не в том, как их добыть, а как утихомирить. Погружая в реактор какой-либо элемент, можно получить его изотоп этого или даже другого элемента. Здесь, в ядерных реакторах, алхимия поставлена на вполне промышленную основу.
Осколки, образующиеся при распаде ядер урана, разлетаются в разные стороны с громадной энергией. Они врезаются в окружающее вещество и движутся там с такой скоростью, что нагревают его за короткое время до очень высокой температуры. Вот почему реактор необходимо беспрестанно охлаждать. Иначе... Впрочем, лучше не думать о том, что было бы иначе...
Для охлаждения через реактор пропускают различные жидкости, которые уносят с собой избыточное тепло. Чаще всего для этого применяется жидкий сплав металлов натрия и калия. Почему не вода? Вода обладает очень малой теплоёмкостью, и поэтому килограмм ее уносил бы с собой тепла гораздо меньше, чем килограмм натрийкалиевого сплава.
Этот металлический сплав выходит из реактора нагретым до высокой температуры — такой, что вода, соприкасаясь с ним (через стенки труб, конечно, потому что и натрий и калий бурно взаимодействуют с водой), сразу же превращается в пар, находящийся под солидным давлением.
Вот я рассказал не только о принципе действия реактора, но и о том, как организовано его энергетическое использование.
Пар направляется на турбины, которые уже могут выполнять положенную им работу: вращать генераторы, вырабатывать ток, двигать атомоход «Ленин» и вообще делать все то, что положено делать пару, который служит людям вот уже более двух веков.
Когда уран в реакторе в значительной степени распался, стержни заменяют новыми. А старые стержни выбрасывают? Как бы не так! Старые стержни отправляют на заводы, где приступают к тщательнейшей их обработке. Химикам есть над чем потрудиться! Ведь осколки, образующиеся при распаде ядер урана, — не что иное, как самые разнообразные элементы Периодической системы.
И вот что примечательно: все эти элементы — радиоактивны. Причина радиоактивности? Ведь именно в этих осколках сосредоточена основная энергия распада ядер урана. Стремясь освободиться от этой избыточной для них энергии, ядра образовавшихся из урана элементов выбрасывают кто электрон, кто одну или несколько гамма-частиц.
Источник: Юрий Фиалков