Беседы о физике и технике

16. Человеку должен служить только мирный атом

Наша прекрасная планета Земля родилась 4 млрд. лет тому назад, около миллиона лет отделяют нас от появления первого человека, три тысячи лет тому назад появились первые науки (математика, астрономия, философия). Так неужели разумные люди допустят, чтобы все это погибло, чтобы этот мир был снова окутан глубокой тьмой, чтобы погибла цивилизация, может быть, единственная в нашей обозримой части Вселенной?

Наше время с полным основанием называют веком атомной энергии, веком космических полетов, автоматизации, а порой лазерным веком. Трудно отдать предпочтение какому-либо из этих утверждений: каждое из них отражает те или иные существенные стороны современного этапа развития научно-технической мысли.

И ВСЕ-ТАКИ КАКОЕ МЕСТО ЗАНИМАЕТ В ЭТОМ РЯДУ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА?

Проникновение в структуру атомного ядра и, как результат этого, овладение ядерной энергией явились одними из важнейших направлений современного научно-технического прогресса. Быстрое и успешное развитие атомной физики началось с 1932 г. — с открытия нейтрона, которое позволило преодолеть трудности, стоящие тогда на пути изучения атома. Нейтрон — это тот «золотой ключик», без которого нельзя было бы открыть «дверь» в большую ядерную энергетику. Роль нейтрона очень велика в практической деятельности человека, в получении искусственных радиоактивных элементов, в прикладных исследованиях и в промышленном применении, в геологических разведках, в медицине, в биологии и т. п. С некоторыми отраслями народного хозяйства, где используют свойство некоторых элементов делиться под действием нейтронов, мы ознакомимся в настоящей беседе.

Уже через 10 лет после открытия нейтрона стал возможным пуск первого ядерного реактора в декабре 1942 г. в США с активным участием ученых-физиков из многих стран мира. В декабре 1946 г. в СССР был пущен первый в Европе и Азии исследовательский ядерный реактор, созданный силами советских ученых, инженеров и рабочих. Ядерные реакторы являются мощным источником нейтронов, которые в зависимости от их энергии делятся на холодные (10^-5—5∙10^-3 эВ), тепловые (5∙10^-3—0,5 эВ), быстрые (10⁵—10⁸ эВ). Наиболее широкое применение получили тепловые, или медленные, нейтроны, которые чаще всей, используют в многогранной деятельности человека, в том числе и в ядерной энергетике.

К СОЖАЛЕНИЮ, О НАЧАЛЕ АТОМНОЙ ЭРЫ ЧЕЛОВЕЧЕСТВО УЗНАЛО НЕ ПО РЕПОРТАЖАМ С ПЕРВЫХ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ, А ПО ВЗРЫВАМ АТОМНЫХ БОМБ В ХИРОСИМЕ И НАГАСАКИ.

Взрывы над Хиросимой и Нагасаки, бесполезные в военном отношении, дали понять, что в мире возникла ситуация, когда одно государство решило диктовать свою волю другим. В этой обстановке и Советское правительство вынуждено было пойти на создание атомного оружия. Поэтому долгие годы исследования по использованию ядерной энергии были строго засекречены.

НО СОЗДАВАЯ ЯДЕРНОЕ ОРУЖИЕ, УЧЕНЫЕ ОДНОВРЕМЕННО РАБОТАЛИ И НАД ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ В МИРНЫХ ЦЕЛЯХ, НАД СОЗДАНИЕМ АТОМНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК, АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ (АЭС)

Такая АЭС была впервые сооружена в СССР, что положило начало победному шествию ядерной энергетики по многим странам мира. Началось же оно в Обнинске (в 105 км от Москвы), где 27 июня 1954 г. в энергосеть выдала электрическую энергию первая в мире АЭС. Пуск небольшой Обнинской АЭС мощностью 5 МВт начал новую эру в технике, в энергетике — эру получения электрического тока за счет энергии, образующейся при делении ядер урана. Эта АЭС, как первопроходец, открыла широкую дорогу большой ядерной энергетике.

Опыт эксплуатации ядерно-энергетической установки Обнинской АЭС и проведенные работы позволили решить многие задачи по дальнейшему совершенствованию схем будущих АЭС и улучшению технико-экономических показателей. Так, уже в 1974 г. себестоимость 1 кВт∙ч электроэнергии на Нововоронежской АЭС составила 0,655 коп., т. е. была ниже стоимости энергии современных тепловых станций европейской части СССР. В двенадцатой пятилетке введено в строй около 41 000 МВт новых мощностей, т. е. за 5 лет мощность АЭС увеличивалась в 2,5 раза.

В настоящее время обогащенного урана и плутония накопилось в мире столько, что их достаточно для изготовления десяти атомных бомб в день. Этот факт свидетельствует о неотложности проблем ядерного разоружения и мирного использования ядерной энергии. Если даже небольшую часть накапливаемого плутония использовать в производстве зарядов в мирных целях, то человечество получит дешевый источник энергии.

НО ВЕДЬ ЯДЕРНЫЕ ВЗРЫВЫ БЫВАЮТ И МИРНЫМИ?

Мирные ядерные взрывы можно использовать в самых различных видах работ, например при ликвидации аварийных газовых фонтанов, интенсификации добычи нефти, создании подземных хранилищ и наземных резервуаров для хранения воды и т. д.

В СССР ядерный взрыв мощностью 30 кт на глубине 1550 м обеспечил надежное перекрытие ствола аварийной скважины с расходом 12 млн∙м³ газа в сутки, что длительное время не удавалось сделать другими способами. С помощью ядерного взрыва мощностью более 100 кт был образован искусственный резервуар для воды общим объемом около 20 млн. м³.

За последние годы в связи с бурным расширением добычи газа, нефтепродуктов резко выросли потребности в разнообразных хранилищах. Оказалось, что для их создания удобно использовать подземные ядерные взрывы в пластах каменной соли, обладающих необходимыми упругопластическими свойствами. Так, полость объемом 20 тыс. м³ была образована на глубине 1140 м ядерным взрывом мощностью 15 кт.

Мирные взрывы, давая в руки человека новую область использования ядерной энергии, еще не раскрыли всех своих возможностей и продолжают детально изучаться учеными и инженерами.

А ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ СТОЯТ НЕ ТОЛЬКО НА ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ?

Широкие возможности использования ядерных реакторов для транспортных установок имеются на флоте. Об этом свидетельствует успешный опыт эксплуатации ледоколов «Ленин», «Арктика», а также на подводных лодках и других типах кораблей. Ядерные реакторы, работающие на быстрых нейтронах, применяют в г. Шевченко на Каспии для получения пресной воды из морской в объеме 120 тыс. т в сутки. Этой воды достаточно для обеспечения нужд города. Теплота от ядерного реактора может быть использована и в металлургической промышленности. Так, в настоящее время на Старооскольском металлургическом комбинате, где осуществляется бездоменный способ получения губчатого железа, требуется по технологическому процессу температура 950—1250 °C. Если для нагревания до таких температур не сжигать газ, а использовать энергию ядерного реактора, то экономия газа составит 50–55 %, а это даст большой экономический эффект.

В химической промышленности основным сырьем для производства азотных удобрений являются аммиак и метанол. Процесс их получения идет при 800–900 °C и также базируется на потреблении большого количества природного газа, 45 % которого расходуется как топливо. Подогревая смесь теплом ядерных реакторов, можно не только экономить газ, но и повысить общую долю полезной теплоты, устранить выброс в атмосферу токсичных продуктов горения газа и снизить стоимость аммиака и метанола.

Ядерные реакторы могут быть использованы для получения дешевого водорода, который в будущем станет основным видом топлива.

КОГДА НАЧАЛИСЬ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ФИЗИКЕ АТОМНОГО ЯДРА?

Распад ядер урана сопровождается рождением искусственных радиоактивных веществ. Да! Атомы родятся, живут и умирают. Разумеется, эти слова надо понимать в переносном смысле.

Впервые с превращениями в мире атомов, считавшихся раньше вечными неделимыми частицами веществ, физики столкнулись, когда А. Беккерелем и супругами Кюри была открыта радиоактивность (1896–1899). С тех пор обнаружено около сорока природных радиоактивных элементов. В 1934 г. Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри доказали возможность создания искусственных радиоактивных элементов и радиоактивных изотопов.

После создания ядерных реакторов и ускорителей элементарных частиц было осуществлено практическое получение радиоактивных элементов. Например, радий крайне дорог, если его добывать обычным способом.

Теперь же в урановых котлах получают дешевые радиоактивные вещества, заменяющие сотни тонн радия. Ряд изотопов, например кобальт-90, молибден-99, полоний-210, специально получают при нейтронном облучении мишеней, состоящих обычно из более легких изотопов тех же элементов.

КАК ПРИМЕНЯЮТ ИЗОТОПЫ В НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ?

Сейчас трудно назвать такую область нашего хозяйства, где не применялись бы изотопы. В СССР налажено производство около 4 тыс. наименований соединений на основе 156 радиоактивных и 240 стабильных изотопов, имеющих практическое значение.

Для текстильной, полиграфической, резиновой, фотокинопленочной промышленности выпускают большое количество радиоизотопных нейтрализаторов статического электричества. Они позволяют повысить в 2–3 раза скорость машин, перерабатывающих листовой или пленочный материал с низкой электропроводностью.

Широко применяют радиоизотопные приборы. По сравнению с другой контрольно-измерительной аппаратурой их преимущества заключаются в отсутствии непосредственного контакта с исследуемым объектом, быстродействии и надежности. В настоящее время широкое применение нашел так называемый активационный анализ. Исследуемый материал подвергают облучению в реакторе. Возбужденные атомы начинают испускать α-, β- и γ-излучения. Облучаемый материал испускает целый спектр различных излучений с самыми разными свойствами. И точно так же, как ухо опытного музыканта способно выделить в грохоте оркестра слабое пение скрипки, анализаторы способны выделить из спектра обученного материала излучение, специфичное для того или иного элемента. Таким образом можно распознать материалы, содержание которых в образце не превышает 10^-8 %. С помощью этого метода, например, удалось определить границы золотоносного месторождения Мурунтау, т. е. очертить зону, где добыча этого драгоценного металла выгодна.

С помощью радиоактивных элементов, так называемых меченых атомов, ведут поиски воды. Важно знать, где, куда и с какой скоростью течет она под землей. В нефтеразведке радиоизотопная аппаратура надежно контролирует изменение свойств окружающей скважину среды (воды, нефти, пустой породы).

В металлургии с помощью радиоизотопных приборов удалось автоматизировать загрузку доменных печей шихтой, осуществить контроль уровня и разливку металла, обеспечить непрерывное измерение толщины проката, контролировать износ печей без остановки их работы.

В машиностроении применение радиоизотопных приборов позволило контролировать подачу заготовок, регулировать температурный режим, осуществлять блокировку оборудования и т. п. В строительстве, сельском хозяйстве радиоизотопные приборы широко применяют для измерения плотности и влажности различных материалов и определения степени их однородности. В ряде отраслей применяют метод гамма-дефектоскопии, позволяющей контролировать качество сварных швов в трубопроводах и в котлах высокого давления, обнаружить разрывы арматуры в железобетонных конструкциях, раковины и трещины в металлических деталях и отливках.

Так, на реке Сыр-Дарья была сооружена плотина Токтогульского водохранилища на 18 млрд. м³ воды. В результате напора воды в теле плотины образовались каверны, через которые вода просачивалась вниз. Применив меченые атомы, удалось определить места расположения каверн. Каверны запломбировали и авария была предотвращена.

РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗОТОПЫ И ЯДЕРНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИМЕНЯЮТ И В ДРУГИХ ОБЛАСТЯХ ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ?

Интересные возможности открываются перед сельским хозяйством. Это прежде всего ускорение выведения новых сортов растений путем радиационного воздействия на их наследственный аппарат и создания мутаций.

В медицине радиоактивные изотопы и ядерные излучения успешно применяют при диагностике сложных заболеваний, для лечения злокачественных опухолей, стерилизации материалов, инструментов и лечебных препаратов.

Исследование радиоактивного распада веществ, включенных в горные породы, позволяет определить возраст последних. Задача сводится к определению соотношения между содержащимися в горных породах и минералах радиоактивными веществами и продуктами их распада.

Весьма интересно применение радиометрических методов в археологии для оценки возраста различных древних предметов, находимых при раскопках. Один из таких методов носит название радиоуглеродного, так как он состоит в определении степени распада радиоактивного углерода.

Применяя этот метод удалось определить, что возраст куска дерева от палубы погребальной ладьи египетского фараона Сезостриса III оценивается в 3620 лет; останки гигантского ленивца, найденные в гипсовой пещере в штате Невада (США), оцениваются в 10 500 лет; остатки органической краски доисторической живописи в пещере Ласко (Франция) отделены от нашего времени периодом в 15 600 лет.

ИТАК, МЫ ВИДИМ, ЧТО АТОМ МНОГОЛИК: ОН МОЖЕТ БЫТЬ И СОЗИДАТЕЛЕМ, И РАЗРУШИТЕЛЕМ — ВСЕ ЗАВИСИТ ОТ ЧЕЛОВЕКА.

Появление ядерного оружия поделило человеческую историю на два периода: доядерный и ядерный. Многое из того, что было нормой и правилом для доядерной эпохи, оказалось совершенно неприемлемым для ядерного века. Война и мир, победа и поражение, угроза и безопасность, стратегия и сила — эти и многие другие понятия приобретают сегодня новое звучание. С появлением ядерного оружия радикально изменился сам характер войны, ее роль в современном социально-историческом развитии. В новых условиях такая война перестала быть средством решения каких бы то ни было международных противоречий и конфликтов, она не может быть контролируемой и ограниченной.

Ядерная эпоха заставляет критически переосмыслить и понятие силы как таковой. Гонка вооружений теряет какой бы то ни было военный смысл, ибо она может дать лишь иллюзорное и опасное психологическое ощущение безопасности и в то же время подрывает реальную безопасность. Большая военная сила не только не дает большей безопасности, но, напротив, ослабляет ее, так как безопасность в наше время вообще не может быть основана на силе. Соответственно изменяется и смысл понятия обороны, которая в новых условиях перестает быть только военной проблемой. Безопасность в ядерный век возможна лишь как безопасность для всех. Ее нельзя обеспечить за счет ущемления интересов друг друга.

В эпоху ядерного оружия стремление к созданию такой ситуации, в которой противник чувствовал бы себя уязвимым, испытывал страх и неуверенность, чревато серьезными последствиями.

КАК ОТНЕСЛИСЬ САМИ УЧЕНЫЕ-АТОМЩИКИ К ВЗРЫВАМ АТОМНЫХ БОМБ НАД ЯПОНСКИМИ ГОРОДАМИ?

Взрывы первых атомных бомб над Хиросимой и Нагасаки ясно показали, к чему ведет гонка вооружений. Весь мир поставлен на грань катастрофы, и это отчетливо увидели те, кто создавал ядерное оружие. Все честные и наиболее смелые из них стали отказываться от дальнейшей работы над ним.

Применение США атомного оружия против густонаселенных японских городов потрясло и возмутило видных ученых-физиков, среди которых были Эйнштейн, Жолио-Кюри, Курчатов и др. Они рассматривали этот акт варварского ведения войны как прямое преступление и неоднократно публично клеймили его. Ф. Жолио-Кюри по окончании второй мировой войны возглавлял движение защитников мира. Эйнштейн глубоко сожалел о том, что он в свое время обращался к Рузвельту с письмом по вопросу создания атомного оружия. «Если бы я знал, что немцы не работают над атомным оружием, я бы ничего не сделал для создания атомной бомбы», — заявил он. Эти мучительные переживания побудили Эйнштейна со времени бомбежки Хиросимы и Нагасаки неуклонно и со всей страстностью бороться против подготовки атомной войны. В своем обращении к интеллигенции (1948) он писал: «Поскольку нам, ученым, уготована трагическая участь — еще более повышать чудовищную эффективность средств уничтожения, наш самый торжественный и благородный долг состоит в том, чтобы всеми силами воспрепятствовать использованию этого оружия для тех жестких целей, для каких оно было изобретено. Какая задача может быть для нас более важной? Какая общественная цель может быть ближе нашему сердцу?». Среди ученых началось движение за запрещение ядерного оружия. Позже это движение получило название Пагоушского. Выработка и принятие новых норм и критериев политического мышления ядерной эпохи — процесс сложный, а для многих поборников силы — просто болезненный. Ведь он требует отказа от претензий на особое положение и военное превосходство.

Предложенная Советским Союзом система норм предусматривает прежде всего отказ от пропаганды ядерной войны в любом ее варианте — глобальном или ограниченном.

В силу чрезвычайной актуальности СССР особо выделяет вопрос о недопущении гонки ядерных и других вооружений в космическом пространстве, ведущей к «звездным войнам» с лазерами и атомными зарядами, в которых не может быть ни победителей, ни побежденных.

Человеку должен служить только мирный атом!

НАВЕРНОЕ, ТО ЖЕ САМОЕ МОЖНО СКАЗАТЬ О ЛЮБОМ ДОСТИЖЕНИИ НАУКИ.

Все достижения человечества должны быть использованы для коренного улучшения и облегчения условий труда людей, сокращения рабочего дня, благоустройства быта, ликвидации тяжелого физического, а затем и всякого неквалифицированного труда. В решении этих мировых проблем не последняя роль отводится физике и научно-техническому прогрессу.