Как это ни странно звучит на первый взгляд, но большое количество атомных ядер имеют склонности к распаду, являются при этом весьма и весьма нестабильными. Это касается, прежде всего, крупных и массивных ядер атома. Для того, чтобы лучше понять, что же происходит при процессе распада, достаточно представить себе большое здание, в котором стенки очень тонкие. Скажем, ядро радия свободно выпускает фрагмент. Этот фрагмент состоит из двух нейтронов и двух протонов. Это означает, что ядро радия свободно выпускает альфа-частицу. Вот только следует помнить нюанс – после того, как ядро теряет два протона, оно уже перестает быть ядром радия. Дело в том, что при потере двух протонов образуется абсолютно новый элемент. Конечно, каждый из нас понимает, что в данном случае речь идет о радоне, который и получится в результате распада.
Некоторые ядра других атомов расщепляются, выпуская при этом электрон. Напомним, что ранее электроны называли бета-частицами. Сегодня же это уже не принято. Именно таким образом и появляется целый ряд элементов, которые называются радиоактивными семействами.
Процессы, происходящие в недрах Солнца, можно с большим упрощением описать следующим образом: при температуре 15 миллионов градусов и невообразимо высоком давлении в 200 миллиардов атмосфер происходит слияние 4 ядер водорода в одно гелиевое ядро с потерей массы и выделением огромной энергии. Каждую секунду Солнце расходует 564 миллиона тонн водорода, вырабатывая при этом 560 миллионов тонн гелия. Недостающие 4 миллиона тонн (0,7% исходной массы) преобразуются в солнечную энергию. Общая мощность солнечного излучения составляет 388 ООО ООО ООО ООО ООО ООО ООО, или 3,88 1023 кВт, один квадратный метр Солнца излучает 62 900 кВт, а это примерно соответствует мощности 62 000 бытовых электрокаминов или же 1 миллиона ламп.
Есть еще один способ, при помощи которого можно вырабатывать ядерную энергию. Он заключается в следующем. Если заставить ядра дейтерия и трития слиться при колоссальных температурах и давлениях, то в результате образуются ядро гелия и нейтрон. При этом их суммарная масса будет меньше, чем суммарная масса исходных ядер. Потерянная масса переходит, как и при расщеплении ядер, в энергию. Такой процесс называется ядерным синтезом.
За счет таких же процессов выделяется энергия во всех звездах, в том числе и в нашем Солнце, а также в водородной бомбе.
Обогащенное до 3% ядерное топливо тоже само по себе работать не будет, так как образующиеся при распаде ядер нейтроны обладают слишком высокой скоростью и будут попросту захватываться ядрами U-238, не расщепляя их, и пролетать мимо ядер U-235, словно бы «не замечая» их. Для их расщепления необходимы медленные нейтроны. К счастью, существуют вещества, притормаживающие нейтроны. Их называют замедлителями. Хорошим замедлителем является углерод; если углерод в форме графита поместить между кусками или блоками урана, то попадающие в него нейтроны замедляются и, достигая ядер урана-235, расщепляют их. Вода и бериллий тоже являются хорошими замедлителями.
В природном уране цепная реакция не может начаться, поскольку он более чем на 99% состоит из U-238, и те 2-3 нейтрона, которые образуются при распаде, обычно слишком быстры, чтобы расщепить редкие ядра U-235, но, с другой стороны, слишком медленны для ядер U-238. Поэтому они просто захватываются ядрами U-238. Таким образом, единичный распад ядра не может сам по себе вызвать цепную реакцию. Есть два варианта ее запуска: либо повысить содержание U-235, чтобы увеличить долю расщепляющегося материала, либо замедлить освобождающиеся при распаде нейтроны. Например, для того чтобы получить ядерное топливо, которое было бы пригодно для действующих в Германии атомных электростанций, необходимо повысить содержание U-235 с 0,7% до примерно 3%. Этот процесс называют обогащением.
В большом куске урана-235 или плутония при бомбардировке нейтронами происходит следующее: после расщепления первого же ядра освобождаются 2 или 3 нейтрона расщепят по ядру, то образуется уже от 8 до 12 свободных нейтронов, которые в свою очередь (с учетом некоторых потерь) расщепят новые ядра, причем каждый распад будет сопровождаться выделением огромной энергии. На этой стадии число свободных нейтронов возрастет до -20, они вызовут новые распады ядер, короче говоря, за доли секунды количество расщепленных атомов, а значит, и количество выделенной энергии возрастает лавинообразно. Этот процесс называется цепной реакцией.
В описанном выше неконтролируемом варианте эта реакция протекает в атомной бомбе. Для того чтобы она произошла, необходима некоторая минимальная масса ядерного топлива, которую называют критической массой. Для урана-235 она составляет около 23 кг, что соответствует сфере диаметром 13 см. Если масса расщепляемого материала меньше, то слишком многие нейтроны вылетают наружу и теряются
безвозвратно, не расщепляя при этом ядер.
К счастью, цепную реакцию можно держать под контролем, допуская лишь определенное число распадов в секунду. Именно таким образом она протекает в ядерных реакторах, о которых будет подробно рассказано в следующей главе нашей книги.
Природный уран состоит из трех изотопов: U-234, U-235 и U-238. Из 1000 атомов урана 993 относятся к U-238, 7 - к U-235, а содержание U-234 столь ничтожно, что им можно пренебречь. Медленные нейтроны расщепляют только ядра U-235. При этом сначала образуется промежуточный нестабильный изотоп 0-236, который затем расщепляется на несколько осколков, например на ядра бария-144, криптона-90 и два нейтрона.
И тут мы подходим к открытию, которое дало миру ядерный реактор и атомную бомбу и изменило его: суммарная масса осколков оказалась меньше, чем суммарная масса исходного ядра и бомбардирующего нейтрона! Таким образом, теряется масса, которая по эйнштейновской формуле Е = тс2 превращается в значительное количество энергии, а именно ядерной энергии. Можно также сказать, что частично высвобождается энергия связи, удерживавшая вместе все компоненты крупного ядра. Выделение этой энергии приводит к тому, что осколки разлетаются с огромной скоростью, сталкиваясь с другими ядрами, которые вследствие этого возбуждаются, движутся и трутся друг об друга. Тем самым энергия движения осколков превращается в тепло. Подведем итог. При ядерном распаде происходит выделение значительной энергии. Из одного грамма урана-235 можно получить 23 ООО кВт • ч. Часто при делении ядер отдельно вылетают два или три нейтрона, например при распаде промежуточного ядра U-236 на барий-144 и криптон-89. Это очень важно для осуществления цепных ядерных реакций.
К сожалению, возникающие при расщеплении урана ядра средней массы сами, как правило, радиоактивны и испускают опасные лучи. С этим явлением мы вновь встретимся позже, при обсуждении основной проблемы атомных электростанций - ликвидации отходов. Чтобы расщепить ядра U-238 необходимы очень быстрые нейтроны. Медленные же хотя и проникают в ядро, но не расщепляют, а остаются в нем, образуя ядро U-239. Этот изотоп через промежуточное состояние превращается в плутоний-239, который в свою очередь легко расщепляется медленными нейтронами.
Поскольку нейтроны электрически нейтральны, их очень удобно использовать для бомбардировки атомных ядер с целью превращения их в другие ядра или расщепления. Положительно заряженный протон был бы для этого непригоден, потому что электрическое поле других протонов в бомбардируемом ядре будет отталкивать и, следовательно, отклонять его.
Электроны не обладают достаточной массой, чтобы оказать заметное воздействие на массивное ядро, и отталкиваются электронной оболочкой атома. У нейтрона нет этих недостатков. Он не отклоняется от своей цели и достаточно тяжел, чтобы расщеплять ядра. Вскоре было замечено, что медленно летящие нейтроны, как правило, чаще попадают в ядра, чем быстрые. Как заметил один физик, быстрые нейтроны проносятся мимо ядер, «даже толком их не замечая». Продолжительность пребывания медленных нейтронов (их иногда называют тепловыми) вблизи ядер гораздо больше и у них, соответственно, гораздо больше времени для взаимодействия с ядром. По нашим меркам и эти нейтроны очень быстры: их скорость составляет приблизительно 2,2 км/с. Впрочем, при помощи нейтронов можно не только расщеплять ядра на осколки, но и осуществлять их превращения, если бомбардирующий нейтрон остается в составе ядра.
В 1938 году двое немецких ученых Отто Ган и Фриц Штрасс-манн сделали еще одно замечательное открытие. При бомбардировке атомов урана нейтронами они обнаружили, что некоторые ядра расщепляются на две примерно равные части. Технические подробности нас здесь не интересуют, главное - расщепление ядер происходило не самопроизвольно, а под действием нейтронов, которые подобно мелким снарядам разбивали огромные ядра.
Под активностью радиоактивного элемента понимают количество распадов ядер в секунду. Единица измерения активности - беккерель (Бк) - названа ности. Если в каком-то образце вещества распадается 403 ядра в секунду, то его активность составляет 403 Бк. Раньше единицей измерения активности был кюри (Ки): 1 Ки = 3,7 • 1010 Бк. Излучение, возникающее при ядерных превращениях, частично или полностью поглощается (абсорбируется) окружающим веществом. Энергия радиоактивного излучения, поглощенная одним килограммом облученного вещества, называется поглощенной дозой. Она измеряется в греях (Гр): 1 Гр = 1 Дж/кг. Раньше была принята единица измерения рад (1 рад = 10″2 Гр = 1/100 Гр). Поглощенная доза в 1/100 Гр соответствует повышению температуры человеческого тела всего на 0,0001 °С, но получение этой дозы за короткое время может нанести организму значительные повреждения, поскольку при этом в организме разрушаются жизненно важные молекулы. Биологическое воздействие облучения зависит не только от поглощенной дозы, но и от вида излучения. Например, 1 Гр альфа-излучения в 20 раз опаснее, чем 1 Гр бета-излучения. Поэтому было введено понятие эквивалентной дозы, которое учитывает степень опасности различных видов излучения для живых существ. Единица эквивалентной дозы называется зиверт (Зв). До 1985 года использовали другую единицу - рем: 1 рем = 10″2 Зв. Она часто упоминается в старых книгах о ядерной энергии. 20 Зв альфа-излучения соответствуют 1 Гр альфа-излучения, или 20 Гр бета- или гамма-излучения.
