Ядерная энергия играет исключительную роль в современном мире: ядерное оружие оказывает влияние на политику, оно нависло угрозой над всем, живущим на Земле. А пока человечество стремится утолить свои непрерывно растущие потребности в энергии путем беспредельного развития ядерной энергетики, радиоактивные отходы загрязняют нашу планету. В действительности жизнь на Земле всегда зависела от ядерной энергии: ядерный синтез питает энергией Солнце (1), радиоактивные процессы в недрах Земли (2) нагревают ее жидкое ядро и влияют на подвижность материковых плит. Ядерная энергия выделяется, во-первых, при радиоактивном распаде и делении атомного ядра, а во-вторых, в процессе синтеза – слияния легких ядер в более тяжелые.

Солнечная радиация обусловлена реакциями ядерного
синтеза, который протекает при температуре в сотни
миллионов градусов. На Земле подобные условия до
сих пор удавалось обеспечить только при взрывах водо-
родных бомб. Получение энергии посредством управля-
емой термоядерной реакции пока остается мечтой.

Извержение вулканов в значительной мере обусловлено
естественной радиоактивностью земных недр. Благодаря
энергии, выделяемой при радиоактивном распаде атомов,
в недрах Земли поддерживается температура, необходи-
мая для существования ее расплавленного ядра.

Радиоактивность: ее открытие и природа

Радиоактивность была открыта Антуаном Анри Беккерелем (1852-1908). После получения радия стало ясно, что радиоактивный процесс сопровождается выделением огромного количества энергии. Распад радия происходит в несколько стадий, при этом выделяется в 2·10⁵ раз больше энергии, чем при сгорании такой же массы угля. Ядро атома имеет диаметр порядка 10^-12 см и состоит из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (нейтральных частиц с массой, почти равной массе протона). Только ядро водорода состоит лишь из одного – единственного протона (и не содержит нейтронов). Большинство элементов представляет собой смесь изотопов, ядра которых различаются числом нейтронов. Общее число составляющих ядро протонов и нейтронов в каком-либо изотопе обозначается цифрой, которая ставится слева вверху химического символа, например ⁴Не. Величина ядерной энергии, высвобождаемой при распаде, зависит от свойств конкретного изотопа. Искусственное превращение одного ядра в другое было впервые осу¬ществлено Эрнестом Резерфордом в 1919 г.: ⁴Не +¹⁴N →¹⁷О +¹Н; Словами этот процесс можно описать так: альфа-частица (ядро гелия) и ядро азота соединяются и затем распадаются на изотоп кислорода ¹⁷О и протон.
Когда масс-спектрометры – приборы, позволяющие измерять массы отдельных ионов и ядер, – достигли достаточно высокой точности, обнаружилось, что массы ядер не равны сумме масс составляющих их протонов и нейтронов. В соответствии с релятивистской формулой Эйнштейна Е = mс² эта разность масс и является источником ядерной энергии. Современная теория рассматривает ядро как жидкую каплю, состоящую из протонов и нейтронов. Если ядро распадается на две приблизительно равные части, то такой процесс называют делением; если ядро испускает одну или больше частиц, то это радиоактивный распад; когда же два ядра соединяются вместе, говорят о ядерном синтезе. Поскольку оба ядра заряжены положительно, чтобы осуществить реакцию синтеза, необходимо либо одно из них ускорить, либо заставить ядра двигаться быстрее, повысив температуру.

Мария Склодовская-Кюри (1867-1934) и ее
муж Пьер Кюри (1859-1906) – одна из самых
знаменитых супружеских пар в истории науки.
Исследуя радиоактивное излучение природ-
ного урана, они обнаружили, что интенсив-
ность этого излучения необычайно высока.
В результате тщательного химического ана-
лиза им удалось выявить источник столь
сильного излучения – это были радиоактив-
ные элементы радий и полоний, образующиеся
при распаде урана.

Френсис Астон (1877-1945) на созданном им
масс-спектрометре впервые установил, что
природные элементы представляют собой смесь
изотопов, массы ядер которых примерно равны
целым кратным массы протона. В дальнейшем
с помощью более совершенных масс-спектро-
метров удалось точно измерить массы ядер.

А Б
Эрнест Резерфорд, английский физик новозеландского
происхождения, начал работать в Кембриджском универ-
ситете в 1903 г. В 1911 г. он открыл атомное ядро, а затем
осуществил первое искусственное расщепление ядра,
получив протоны из ядер азота. Используя чрезвычайно
простую (нередко самодельную) аппаратуру, Резерфорд
и его сотрудники в Кавендишской лаборатории сумели
изменить наши представления о структуре атома.

Получение ядерной энергии

Получение ядерной энергии в больших количествах впервые было достигнуто в цепной реакции деления ядер урана. Когда изотоп уран-235 поглощает нейтрон, ядро урана распадается на две части и при этом вылетают два-три нейтрона. Если из числа нейтронов, образующихся после каждого акта деления, в следующем участвует в среднем более одного нейтрона, то процесс экспоненциально нарастает, приводя к неуправляемой цепной реакции.
Для преобразования ядерной энергии в электрическую этот процесс необходимо замедлить и сделать управляемым; тогда его можно использовать для получения тепла, которое затем превращается в электричество. Ядерный реактор – это своего рода «печка». Вероятность деления ядра ²³⁵U при поглощении нейтрона велика, если последний движется сравнительно медленно (со скоростью около 2 км/с). Для замедления нейтронов в ядерный реактор помещают специальные материалы, называемые замедлителями.
Ядерные реакторы можно классифицировать по типу применяемых в них замедлителей: реакторы на графите, на воде и на тяжелой воде. Тяжелой называется вода, в которой обычный водород заменен его тяжелым изотопом — дейтерием. Тяжелая вода поглощает значительно больше нейтронов, чем обычная.
Для поддержания цепной реакции необходимо определенное количество делящегося вещества. Если в реакторе теряется в результате поглощения или испускания больше нейтронов, чем возникает, то реакция не будет самоподдерживающейся. Если же, наоборот, нейтронов возникает больше, чем теряется, то реакция становится самоподдерживающейся и нарастающей. Минимальное количество вещества, обеспечивающее самоподдерживающееся протекание реакции, называется критической массой. Для нормальной работы ядерного реактора поток нейтронов должен поддерживаться постоянным на требуемом уровне. Режим работы реактора регулируют, вдвигая и выдвигая стержни из поглощающего материала.

Ядра атомов, состоящие из протонов (красные кружочки)
и нейтронов (коричневые кружочки), могут превращаться
друг в друга, испуская радиоактивное излучение трех видов:
гамма-излучение (фиолетовые стрелки), электроны (серые
стрелки), положительно заряженные альфа-частицы (оран-
жевые стрелки).

Реакторы-размножители

Недостатком обычных реакторов является то, что они могут работать только на ²³⁵U, однако в природном уране ²³⁵U составляет только 0,7%, а ²³⁸U-99,3%. Изотоп урана ²³⁸U также можно использовать как ядерное горючее, облучив его нейтронами. При этом ²³⁸U, испытав радиоактивный распад, превращается в плутоний ²³⁹Pu. Плутоний столь же пригоден для изготовления атомных бомб, как и ²³⁵U.
Чтобы добиться превращения урана в плутоний, меняют конструкцию реактора. Структурные элементы обычных реакторов изготавливают из материалов, которые поглощают все нейтроны, сколько бы их ни было. Реакторы – размножители имеют небольшую внутреннюю оболочку из делящегося материала, слабо поглощающего нейтроны, и не имеют замедлителя, так что нейтроны в ней почти не расходуются. Эта оболочка окружена слоем природного урана: нейтроны, вылетающие из оболочки, попадают в этот слой и превращают ²³⁸U в ²³⁹Pu. Если в реакторе производится больше делящегося топлива, чем расходуется, то такой реактор называется реактором-размножителем.

Ядро урана-235 поглощает медленный нейтрон (1) и
расщепляется, при этом выделяется энергия и обра-
зуется несколько нейтронов (2). Если один из них вновь
столкнется с ядром урана-235 (3), то это может при-
вести к возникновению цепной реакции; образовав-
шиеся нейтроны могут поглотиться другими ядрами (4)
или ядром урана-238 (5).

Ядерные реакторы породили сложную проблему захоронения
радиоактивных отходов, которая не разрешена до сих пор.
На фотографии можно видеть, как инженеры тщательно упа-
ковывают стержни, предназначенные для установки в цент-
ральной части ядерного реактора; среди этих стержней име-
ются и замедлители, которые служат для регулирования
скорости реакции.

Грибовидное облако ядерного взрыва – символ угрозы,
нависшей над человечеством. Хотя распространение
ядерного оружия ограничено рамками международных
договоров, предусматривающих контроль над развитием
ядерной технологии, количество стран, которые могли
бы производить ядерное оружие, продолжает расти.