Физические основы получения атомной энергии

ВВЕДЕНИЕ

Энергия — это мера физического движения материи во всех ее формах. Соответственно многообразию форм движения материи, имеющихся в природе, существуют различные формы или виды энергии: механическая, тепловая, химическая, электрическая и т. д.

Во всех бесконечно разнообразных явлениях природы энергия не создается и не исчезает, а лишь превращается из одной формы в другую в полном соответствии с законом сохранения и превращения энергии. При горении каменного угля, нефти или газа скрытая химическая энергия топлива переходит в тепловую и световую энергию.

При работе гидроэлектростанции механическая энергия движущейся воды превращается в электрическую энергию, которая с помощью проводов передается в города и села за сотни километров. На месте потребления, то есть на фабриках и заводах, в колхозах и совхозах, в жилых домах и учреждениях электрическая энергия превращается в тепло, свет и другие виды энергии, совершая нужную нам работу.

Энергия играет большую роль во всей нашей жизни, она нужна в быту и на производстве. Без увеличения выработки и потребления энергии невозможно развитие промышленности, сельского хозяйства, науки и культуры. Вот почему открытие новых источников энергии и способов ее использования, выявляя новые возможности для развития производительных сил, всегда способствовало прогрессу человеческого общества.

Изобретение И. Ползуновым, а затем Д. Уаттом универсальной паровой машины, способной в любое время и в любом месте превращать химическую энергию топлива в механическое движение, явилось началом промышленной революции, означавшей коренной перелом в развитии человеческого общества. Благодаря применению паровой машины энергия топлива получила широкое распространение в промышленности и на транспорте, обеспечивая их развитие. Затем на помощь паровой машине пришел двигатель внутреннего сгорания. Наконец во второй половине XIX столетия потребности развивающегося общества привели к овладению наиболее универсальной формой энергии — электрической энергией.

Непрерывно расширяющееся применение электрической энергии является характерной чертой современного производства. Электрическую энергию можно производить, используя энергию воды и ветра, сжигая малоценные сорта топлива на месте потребления, а затем передавая ее по проводам к месту потребления. Огромное значение придавал электричеству великий Ленин, рассматривавший электрификацию страны как техническую базу коммунизма: «Коммунизм — это есть Советская власть плюс электрификация всей страны». Под электрификацией В. И. Ленин понимал не изолированное построение отдельных электростанций, а постепенный перевод хозяйства страны, в том числе и земледелия, на новую техническую базу, на техническую базу современного крупного производства. По инициативе В. И. Ленина был составлен Государственный план электрификации России (план ГОЭЛРО), который давно уже перевыполнен. Большая программа дальнейшей электрификации страны в соответствии с директивами XX съезда КПСС выполняется в настоящее время: общая мощность тепловых электростанций в шестой пятилетке вырастет в 2,2 раза, а мощность гидроэлектростанций — в 2,7 раза.

Развитие человеческого общества характеризуется непрерывно растущим потреблением энергии. За последние сто лет мир использовал количество энергии, равное примерно половине того, которое было потреблено человечеством в течение первых восемнадцати столетий нашей эры. На протяжении последних десятилетий наблюдается дальнейший рост производства и потребления энергии.

Статистика показывает, что производство энергии в СССР и в других странах социалистического лагеря растет гораздо быстрее, чем в странах капитализма. К концу XX столетия производство и потребление энергии в странах социализма должно вырасти по сравнению с настоящим временем примерно в 100 раз.

По данным Международной научно-технической конференции, состоявшейся в августе 1955 г. в Женеве, ежегодное производство и потребление энергии на Земле должно к 2000 г. вырасти в среднем в 8 раз. Учитывая неизбежность кризисов и экономических потрясений в странах капитала, можно предполагать, что потребление энергии в этих странах увеличится за это время примерно в 3 раза.

Основным источником энергии в настоящее время служит топливо — уголь, нефть, торф и природный газ, за счет которого покрывается около 80% мировой потребности энергии. Только 1,5% всей потребности в энергии удовлетворяется гидроэлектростанциями. Производство гидроэлектроэнергии значительно возрастет к 2000 г., но все же составит не более 15% всей потребности. Если же рост потребности в энергии удовлетворять за счет топлива, то потребуется ежегодно сжигать 7–8 млрд. т каменного угля или соответственно 4–5 млрд. т жидкого топлива. Огромное все возрастающее количество нефтепродуктов поглощают современные вооруженные силы. Эшелон железнодорожных цистерн горючего требуется для того, чтобы обеспечить боевой вылет одной авиационной дивизии реактивных бомбардировщиков.

Перед многими странами уже сейчас реально встает угроза истощения их топливных ресурсов и возникает проблема — найти и использовать новый источник энергии, способный заменить непрерывно уменьшающиеся запасы каменного угля, нефти, газа и других горючих материалов.

И такой источник был найден в результате научных исследований, проведенных в последние десятилетия учеными многих стран. Новым необычайно мощным источником энергии оказались атомы — мельчайшие частицы вещества, в ядрах которых скрыты огромные запасы энергии. Энергия, которая освобождается в результате превращений, происходящих с ядрами атомов, получила название атомной энергии. Правильнее называть ее ядерной.

Источником почти всех видов энергии на Земле является, как известно, Солнце; за каждые пять дней оно излучает на Землю больше энергии, чем ее содержится во всех запасах угля и нефти. Солнечная энергия, по данным современной физики, обусловлена ядерной энергией, выделяющейся на Солнце. Оказалось, таким образом, что источником жизни на Земле является в конечном счете ядерная энергия.

Открытие ядерной энергии и способов ее производства и использования — одно из величайших научных достижений нашего времени, в подготовке которого большую роль сыграла и наша отечественная наука.

Запасы атомного, или ядерного, горючего в окружающей нас природе практически безграничны. К тому же ядерное горючее обладает необычайно высокой теплотворной способностью. Один килограмм такого ядерного горючего, как уран, может дать при существующем уровне развития атомной энергетики около 21 млрд. ккал ядерной энергии, что в 3 млн. раз больше химической энергии, получаемой при сжигании килограмма хорошего каменного угля (7000 ккал). Стоимость ядерной энергии с каждым годом уменьшается.

Вот почему использование ядерной энергии, устраняя угрозу энергетического голода, безгранично расширяет власть человека над стихийными силами природы, открывает перед человечеством колоссальные возможности роста производительных сил, технического и культурного прогресса, увеличения общественного богатства.

Однако в странах с различным общественным и государственным строем огромные возможности, открываемые ядерной энергией, используются по-разному.

В Советском Союзе ядерная энергия используется в интересах народа, она служит делу строительства коммунизма и укрепления обороноспособности нашей Родины.

В СССР построена и с июня 1954 г. успешно работает первая в мире промышленная атомная электростанция мощностью 5 тыс. квт. Шестым пятилетним планом предусматривается строительство в течение 1956–1960 гг. больших атомных электростанций общей мощностью в 2–2,5 млн. квт.

Несмотря на то, что постройка этих станций носит еще опытный характер, мощность их превзойдет в 2 с лишним раза мощность всех электростанций царской России.

Производство электрической энергии на атомных электростанциях является одним из главных путей мирного использования ядерной энергии, но наряду с этим имеются и другие пути.

В СССР спущен на воду ледокол «Ленин» с атомной силовой установкой мощностью в 44 тыс. л. с.; развертываются работы по атомным силовым установкам для других кораблей и для воздушного и сухопутного транспорта; широко применяются в промышленности, сельском хозяйстве и науке радиоактивные вещества и излучения.

По использованию ядерной энергии в мирных целях Советский Союз идет впереди других стран, что убедительно было продемонстрировано всему миру на состоявшихся летом 1955 г. сессии Академии наук СССР в Москве и Международной научно-технической конференции в Женеве. Колоссальные возможности, открытые ядерной энергией, превращаются в условиях социалистического строя в действительность.

Верное политике укрепления мира и дружбы между народами, Советское государство выступает за широкое международное сотрудничество в области использования ядерной энергии в мирных целях. Советское государство охотно делится своими достижениями со всеми странами, оказывает бескорыстную научно-техническую и производственную помощь в этом деле другим государствам. Советский Союз содействует развитию научных исследований в области ядерной физики и использования атомной энергии в мирных целях в Китае, Польше, Чехословакии, Германской Демократической Республике, Болгарии и в других странах. Советский Союз поставляет этим странам различное оборудование и атомные установки, необходимые для организации научных исследований.

Например, в Чехословакии, имеющей высокоразвитую промышленность и испытывающей недостаток энергии, с помощью советских ученых строится атомная электростанция мощностью в 150 тыс. квт, которая будет закончена в 1960 г. Германская Демократическая Республика в содружестве с Советским Союзом приступила к сооружению атомной электростанции мощностью в 100 тыс. квт.

Начало новому этапу в развитии международного сотрудничества социалистических стран в области научных исследований положено организацией Объединенного института ядерных исследований. Он находится в г. Дубна Московской области. Этот институт — международная организация, участниками которой являются двенадцать государств: Народная Республика Албания, Народная Республика Болгария, Венгерская Народная Республика, Германская Демократическая Республика, Китайская Народная Республика, Корейская Народно-Демократическая Республика, Монгольская Народная Республика, Польская Народная Республика, Румынская Народная Республика, Демократическая Республика Вьетнам, Советский Союз и Чехословацкая Республика. Другие государства, которые в будущем пожелают принять участие в работе Объединенного института, могут по решению большинства государств — членов института стать его равноправными членами.

При капитализме ядерная энергия, как и все другие научные открытия, используются лишь в той мере, в какой они способствуют получению монополиями максимальных прибылей. Поэтому передовые капиталистические страны уделяют главное внимание военному применению ядерной энергии, способствующему проведению их агрессивной, империалистической политики, и в меньшей мере занимаются использованием этой энергии в промышленных целях.

Впереди других стран капиталистического мира в промышленном использовании ядерной энергии идет Англия. Ее топливные ресурсы к настоящему времени уже значительно истощены, добыча угля с каждым годом усложняется, а стоимость его увеличивается. Трудное положение с энергетикой и заставило Англию обратиться к новому мощному источнику энергии.

Первая английская атомная электростанция мощностью 46 тыс. квт построена в Колдер-Холле и в октябре 1956 г. дала промышленный ток. Строится вторая такая же станция. Англия рассчитывает построить к 1965 г. несколько атомных электростанций с общей мощностью около миллиона киловатт.

В США приступлено к строительству пяти атомных электростанций разного типа мощностью 75–236 тыс. квт. Эти станции предполагается ввести в строй в период между 1957 и 1960 гг. В США построены две подводные лодки с атомными силовыми установками.

Две атомные электростанции строятся во Франции. Первая из них будет мощностью 40 тыс. квт. Одна атомная электростанция мощностью 20 тыс. квт строится в Канаде, пуск ее предполагается в 1958 г.

Таким образом, если XIX век был по преимуществу веком пара, то XX век — век электричества — на наших глазах начинает превращаться в век атомной энергии. Происходит величайшая технико-экономическая революция, связанная с широким и многообразным применением ядерной энергии.

Использование нового источника энергии влечет за собой коренное преобразование не только энергетики, но также и транспорта, технологии, быта и здравоохранения; создается новая техника автоматизации, меняющая характер труда и обусловливающая колоссальное повышение его производительности; складываются новые условия для размещения производительных сил; открываются возможности для превращения знойных пустынь Юга и заснеженных пространств Арктики в цветущие районы земного шара. В этих коренных преобразованиях, выходящих за рамки собственно энергетики, и заключается суть этой технической революции, начало которой было положено первой советской атомной электростанцией и применением ядерной энергии в мирных целях.

Однако в руках агрессоров ядерная энергия может быть использована как средство массового уничтожения людей и материальных ценностей. Крупнейшие капиталистические государства и в первую очередь США направляют усилия своих ученых на разработку различных образцов атомного или ядерного оружия. Именно в США в годы второй мировой войны было создано впервые ядерное оружие в виде атомной бомбы.

В августе 1945 г. американцы сбросили на японские города Хиросима и Нагасаки первые атомные бомбы, хотя никакой военной необходимости в этом не было. Империалисты использовали новое оружие против женщин, стариков и детей в целях шантажа и запугивания миролюбивых народов как средство для завоевания мирового господства.

За истекшее время опасность атомной войны не только не уменьшилась, но, наоборот, возросла во много раз. Запасы ядерного оружия увеличились. К числу государств, производящих или пытающихся производить атомное оружие, присоединяются новые государства. В результате проведенных взрывов атомных и водородных бомб вся поверхность Земли и особенно северное полушарие оказались загрязненными радиоактивными веществами, образующимися при каждом взрыве.

В случае возникновения войны с применением ядерного оружия бедствия человечества будут весьма большими. Многие миллионы людей могут погибнуть непосредственно от взрыва, высокой температуры и радиации во время взрыва вне зависимости от типа применяемых бомб.

Так называемые «чистые» бомбы, о которых так много говорят за последнее время в США и которые должны давать меньше радиоактивных осадков, чем испытанные ранее, также принесут неисчислимые страдания человечеству.

Атомная война опустошит огромные районы земной поверхности, которые на длительный период времени станут непригодными для жизни, миллионы людей далеко за пределами районов военных действий могут быть поражены радиоактивными осадками, а многие из оставшихся в живых дадут генетически неполноценное потомство с повышенной смертностью, с укороченным периодом жизни и с большим процентом уродств и аномалий[1].

Агрессивные круги США еще недавно полагали, что у них имеется безусловная монополия на ядерное оружие. Даже наиболее дальновидные их деятели в первые годы после второй мировой войны считали, что Советскому Союзу для производства такого оружия потребуется по крайней мере 10–15 лет, а большинство считало, что потребуется гораздо больше времени. Однако не прошло и нескольких лет, как советские ученые, которыми справедливо гордится советский народ, самостоятельно разработали несколько способов производства ядерной энергии как в интересах обороны нашей Родины, так и в мирных целях. Тем самым был нанесен серьезный удар поджигателям новой войны, пытавшимся использовать «секрет» производства ядерного оружия для запугивания других народов «с позиции силы».

Достижения Советского Союза в области ядерной энергии и ее применения не сводятся к какому-либо одному открытию или расшифровке секрета, как это иногда упрощенно представляют. В действительности мы имели здесь крупнейшее, хорошо организованное наступление целого фронта советской науки, успешно осуществленное в послевоенное время. Наши успехи явились результатом политики, проводимой Коммунистической партией и правительством Советского Союза с первых лет существования Советского государства. Эти успехи стали возможны лишь благодаря высокому уровню развития науки и техники нашей страны. Могучая социалистическая промышленность и в первую очередь тяжелая промышленность, выросшая у нас за годы Советской власти, сыграла здесь первостепенную роль.

Осуществляя величественную программу строительства коммунизма, советский народ кровно заинтересован в сохранении и укреплении мира между всеми народами. Советское государство последовательно проводит политику мира и укрепления международного сотрудничества. Вместе с тем Советский Союз никогда не забывает о тех агрессивных империалистических силах за рубежом, которые бешено готовятся к войне против Советского Союза и стран народной демократии. В этих условиях партия и правительство всемерно укрепляют оборону нашего социалистического государства от агрессивных действий его врагов. Советские Вооруженные Силы имеют в своем распоряжении все виды современного вооружения и боевой техники, включая различные образцы атомного и термоядерного оружия и ракетной техники, их боевая готовность находится на уровне современных требований. Советские Вооруженные Силы располагают надежными средствами доставки атомных и водородных зарядов в любой пункт земного шара.

Если агрессивные круги, уповая на ядерное оружие, решились бы на безумие и захотели испытать силу и мощь Советского Союза, то можно не сомневаться, что агрессор будет подавлен тем же оружием.

Советские ученые, укрепляя обороноспособность своей Родины, одновременно направляют свои усилия на то, чтобы величайшее открытие XX века — ядерную энергию поставить в полной мере на службу построения коммунизма. Не энергия, получаемая путем сжигания топлива, а ядерная энергия явится основой энергетики эпохи коммунизма. В сочетании с такими видами энергии, как энергия топлива, движущейся воды, солнца, ветра и т. п., ядерная энергия обеспечит коммунистическому обществу безграничное развитие производительных сил и увеличение общественного богатства.

В настоящей книжке изложены основные вопросы ядерной физики, знание которых необходимо для понимания особенностей ядерной энергии и тех физических принципов, которые используются или предполагаются использоваться в ближайшем будущем для ее производства. Книжка рассчитана на широкий круг военных читателей со средним образованием, стремящихся познакомиться с новой областью науки, имеющей большое практическое значение.