Приключения изобретений

ВСТУПЛЕНИЕ В АТОМНЫЙ ВЕК

В декабре 1938 года произошло событие, которое сыграло огромную роль в жизни человечества: учёные расщепили ядро атома урана. И оказалось, что при расщеплении высвобождается огромное количество энергии.

Но сперва даже те физики, которые сделали открытие, не знали, имеет ли оно какое-нибудь практическое значение или только научное – можно ли ядерную энергию, высвобождающуюся при расщеплении атома, заставить работать. Она ведь высвобождается мгновенно, в ничтожную долю секунды, поэтому нельзя её использовать как непрерывно поступающий в турбину пар или как постоянно текущий по проводу электрический ток.

Казалось ещё очень далёким время, когда можно будет сделать технический вывод из открытия – поставить ядерную энергию на службу людям.

На службу? Самые проницательные физики скоро поняли то, о чём ещё не догадывался мир: прежде чем удастся укротить ядерную энергию, её могут использовать как мощную силу разрушения. Мгновенное высвобождение энергии не годится для работы, но годится для взрыва!

В 1939 году германские фашисты развязали войну. И только несколько человек во всём мире догадывались, какая беда грозит народам: фашисты наверняка попытаются использовать внутриатомную энергию для создания грозного оружия. Удастся ли им? Никто не мог дать ответ на этот вопрос. Одни учёные считали, что пройдёт ещё около столетия, пока можно будет практически использовать внутриядерную энергию как грозное оружие. Другие сокращали сроки до нескольких десятилетий. Но некоторые физики предполагали, что это может быть сделано значительно быстрее – в ближайшие годы. Вот они-то и опасались, как бы фашисты не создали атомную бомбу.

Выход для стран, воевавших с фашистами, был только один – не теряя времени, попробовать самим создать атомное оружие, опередить фашистов. Тогда, зная, что атомная бомба есть не только у них, фашисты, быть может, не решатся её использовать.

В Америке в то время жило много учёных, бежавших от фашистского режима. Среди них были физики, работавшие над расщеплением ядра атома. Им и пришлось стать изобретателями «машины» для производства атомных бомб.

Тут не годилось обычное разделение труда: учёные делают научное открытие, изобретатели используют его для создания новых машин. Не годилось оно потому, что построить реактор, в котором происходило бы расщепление ядер атома урана, – это задача прежде всего научная. Найти технический способ создания ядерного реактора можно было только путём сложных научных исследований и опытов.

Сделать это было нелегко. Пока физики одолевали одно за другим трудные препятствия, даже они не могли сказать, удастся ли достигнуть успеха и в какой срок.

Постройкой первого ядерного реактора в Америке руководил итальянский физик Энрико Ферми.

Для того чтобы расщепить ядро атома, нужно его бомбардировать нейтронами – частицами, лишёнными электрического заряда.

Нейтроны летят с космической скоростью (десять тысяч километров в секунду) и… не попадают в ядро урана. Для того чтобы они проникли в ядро, надо искусственно замедлить их движение. (Я говорю о том времени – позже учёные нашли способ расщеплять ядро атома и «быстрыми» нейтронами.) Поиски барьера, который замедлял бы движение нейтронов на пути к урану, были одной из первых трудных задач.

Современная физика настолько сложна, что учёные как бы разделились на два отряда: одни трудятся за письменным столом, разрабатывая теорию ещё не изученных явлений; другие работают в лабораториях – экспериментами проверяя предположения теоретиков и открывая новые явления, которые требуют теоретического объяснения.

Энрико Ферми обладал редким даром – он был таким же талантливым теоретиком, как экспериментатором. У него была замечательная голова, умелые руки, и работал он очень быстро. В лаборатории Ферми ставил сложнейшие опыты, за письменным столом объяснял свои наблюдения, а в мастерской изобретал и сам строил приборы, нужные для новых наблюдений.

Создателям первого ядерного реактора удалось найти замедлитель нейтронов – толстый слой графита, в который вставлялись стержни урана.

Но этого мало: нужно было добиться, чтобы в атомном котле шла «цепная реакция». Что это значит – цепная реакция? Когда извне отправленный нейтрон, пробившись сквозь слой графита, расщепляет ядро уранового атома, из «разбитого» ядра вылетают освободившиеся нейтроны – те, которые входили в состав атомного ядра. Надо их тоже замедлить и добиться, чтобы они, в свою очередь, расщепляли другие атомы урана. Тогда реакция пойдёт непрерывно, станет цепной.

Я рассказываю об этом очень упрощённо – только чтобы напомнить, какие задачи стояли перед изобретателями атомного реактора.

Учёным предстояло сложнейшими расчётами и опытами определить количество урана, которое надо заложить в реактор, чтобы началась цепная реакция. Расчётами и опытами нужно было найти правильное расположение урановых стержней в слоях графита. А попутно необходимо было изобрести множество приборов для управления работой реактора.

Так оказалось, что в осуществлении величайшей работы нашего века – освобождении внутриатомной энергии – труд теоретиков оказался неотделимым от работы изобретателей. Изобретателями становились сами учёные.

Американский ядерный реактор начал работать в 1942 году – всего через три года после первых лабораторных опытов расщепления урана. Реактор дал возможность изготовлять атомные бомбы.

Фашистам не удалось до конца войны построить реактор, хотя они очень торопились. Америка оказалась единственным обладателем атомной бомбы.

Вы знаете, к чему это привело. Американские атомные бомбы были сброшены на японские города Хиросиму и Нагасаки. Они погубили очень много людей – и не войска, а мирное население, и притом без всякой военной надобности: к тому времени Япония была уже побеждена.

Трагическим был день Хиросимы для многих физиков-антифашистов, работавших над созданием ядерного реактора. Они дали Америке атомную бомбу, чтобы предупредить опасность – использование атомной бомбы фашистами. Но фашисты были разгромлены прежде, чем овладели внутриядерной энергией. И добили германских фашистов советские войска и их союзники без помощи атомной бомбы.

Взрыв в Хиросиме был нужен правителям Америки не для выигрыша уже выигранной войны, а в целях политических, которым вовсе не сочувствовало большинство физиков, создавших атомное оружие.

Правители Америки хотели устрашить весь мир – показать, что в их руках оружие, которое делает невозможной борьбу с ними. Мир принуждён теперь покорно выполнять волю Америки – вот что должно было доказать жестокое нападение на Хиросиму.

Американцы высчитали, что Советский Союз раньше чем лет через десять – пятнадцать никак не сумеет построить ядерный реактор. А на самом-то деле постройка ядерных реакторов у нас тогда уже завершалась.

Но вот в чём была важнейшая особенность работы советских учёных. Пока в Америке занимались только атомной бомбой, мы, запасшись по необходимости этим оружием, стали сразу же работать над использованием атомной энергии в мирных целях. И намного опередили в этом Америку.

При взрыве атомной бомбы выделяется огромное количество тепла. Воздух нагревается так, что всё живое погибает на много километров вокруг. Такое «тепло» годится только для уничтожения. А советским учёным нужно было добыть тепло умеренное, годное для работы, для созидания, а не для уничтожения.

Эта задача впервые в мире была решена советскими учёными, построившими атомную электростанцию. Она дала ток 27 июня 1954 года.

Построили реактор, в нём поместили сто двадцать восемь урановых стержней – каждый в графитовой шубе. Бомбардируя урановые ядра нейтронами, возбудили цепную реакцию. Расщепление атомов вызывает нагревание урановых стержней. Тепло забирает вода, которая проходит по трубам в реакторе. Используется это тепло для образования пара. Пар вращает лопасти турбины. А турбина приводит в движение генератор, вырабатывающий электрический ток.

Этот ток первой в мире атомной электростанции идёт в колхозы и города. Весь расход «топлива» – радиоактивного урана – всего тридцать граммов в сутки. Угля, чтобы получить такое же количество тока, понадобилось бы не меньше ста тонн – в три миллиона раз больше.

Активный участок реактора, где происходит расщепление ядер урана, невелик. Это цилиндр из графитовых блоков высотой с человеческий рост (1,7 метра) и диаметром около полутора метров. А в целом атомная электростанция – большое сооружение.

Ведь, кроме помещений, нужных для управления реактором, необходимо создать надёжную защиту от радиоактивных частиц, которые опасны для людей. Надо, чтобы вредные излучения не вышли за пределы реактора. А это не просто – они проникают даже сквозь толстую стену. Приходится строить несколько стен из разных материалов. Первая стена – графитовая, вторая – из стальных плит, третья – метровый слой воды и потом ещё одна стена из бетона трёхметровой толщины. А над реактором – чугунный потолок. Помещения атомной электростанции тоже отделены одно от другого толстыми бетонными стенами, и специальные приборы постоянно проверяют, не загрязнён ли воздух радиоактивными частицами.

Ну, а куда девать отработанные урановые стержни? Они очень опасны, так как долго ещё излучают вредные для здоровья людей частицы. Замена стержней производится механизмами. Они переносят отработанный стержень в глубокий бассейн, и он там отлёживается целый год, пока не станет безопасным. Управляют этими механизмами так же, как реактором, на расстоянии.

Много тут было работы изобретателям. Ведь надо было придумать автоматические приборы для регулирования цепной реакции, механизмы для смены отработанных урановых стержней. И это ещё далеко не всё – нужно было создать приборы контроля, которые давали бы в зал управления все сведения о его работе, сообщали обо всём, что происходит в реакторе. Надёжность этих приборов должна быть совершенной – ведь когда реактор пущен в ход, к нему уже не приблизишься для ремонта!

Реактор и все нужные для его работы приборы учёным и инженерам пришлось изобретать и строить в тесном содружестве. Технические задачи тут неразрывно связаны с теоретическими исследованиями – нельзя оторвать одно от другого. И никогда прежде не было таким тесным содружество учёных с техниками, как в создании ядерных реакторов. Учёные усваивали технические навыки, становились изобретателями и конструкторами, а инженеры глубоко изучали теоретическую физику.

Атомные электростанции работают, дают ток. У нас их уже несколько. Строятся новые, всё более крупные. Но почти всегда важное изобретение как бы вырывается вперёд и требует, чтобы многие отрасли техники подтянулись до уровня этого изобретения и дали возможность извлечь из нового изобретения все выгоды, которые оно сулит. Сейчас ядерный реактор – это котёл, поставляющий пар турбине. Самый современный способ получения энергии – путём деления атомного ядра – требует и новых, совершенных, способов использования этой энергии. Иначе коэффициент полезного действия атомного горючего останется невысоким.

Тепла реактор мог бы дать больше, чем десятки самых крупных паровых котлов, величиной с пятиэтажный дом каждый. Но при одном условии: всё тепло надо отводить из реактора без малейшей задержки – иначе он мгновенно выйдет из строя.

А для того, чтобы отвести очень быстро большие количества тепла, нужен огромный поток воды. Пропустить его через реактор невозможно, потому что рабочая зона реактора, как вы уже знаете, невелика.

Где же выход, есть ли он? Есть – и не один. Но каждый требует ещё огромного совместного труда учёных с изобретателями.

Предлагают, например, отводить тепло без помощи воды. Каким же способом – воздухом, газом? Нет, и воздуха и газа понадобилось бы ещё больше, чем воды. А вот жидкий металл для этого очень удобен, и лучше всего жидкий натрий, который кипит при температуре в восемьсот градусов.

Что это даёт? Огромное сокращение объёма жидкости, забирающей тепло от реактора: жидкого натрия нужно почти в двадцать тысяч раз меньше, чем воды, потому что температура его кипения при нормальном давлении очень высока. Иначе говоря, текущий по трубам жидкий натрий заберёт во много раз больше тепла, чем вода. Коэффициент полезного действия реактора резко повысится. Но, чтобы заменить воду жидким металлом, надо преодолеть столько препятствий, что одно перечисление их заняло бы много страниц. И всё же реактор останется паровым котлом, только более экономичным, чем нынешние.

Действительно новым способом использования атомной энергии был бы совсем другой – превращение её непосредственно в электрическую энергию, – а не в тепловую. Задача очень трудная, но учёные подошли вплотную к её решению. У нас уже работает небольшой опытный реактор, который преобразует ядерную тепловую энергию прямо в электрическую.

Ток, который дают атомные электростанции, пока обходится дорого. Но это ненадолго. Чем мощнее будут станции, тем дешевле обойдётся ток. И он станет совсем дешёвым, когда удастся использовать для полезной работы большую часть тепла, которую может дать реактор – иначе говоря, когда реакторы будут прямо преобразовывать тепловую энергию в электрическую.

Времени, чтобы решить эту задачу, у нас предостаточно – сто лет. При нынешней скорости движения науки и техники это срок огромный.

Но почему именно сто лет, а не десять или триста? Учёные подсчитали, что через сто лет истощатся запасы обычного топлива, которое поставляет нам природа – каменного угля, нефти, горючих газов. И тогда главным видом топлива станет атомное.

А его-то надолго хватит? Даже считать не стоит, потому что в реакторах, работающих с быстрыми нейтронами, происходит чудо.

Вы, может быть, знаете, что расщепляются ядра не всякого урана, а только урана-235 (эта цифра обозначает его атомный вес). Но в природе уран-235 редок – его почти в сто раз меньше урана с атомным весом 238, ядра которого не расщепляются в реакторе. Вот с ним-то, с ураном-238, и происходит чудо, когда его атомы бомбардируют быстрыми нейтронами: он превращается в новый элемент, которого почти нет в природе. Этот элемент назвали плутонием. И ядра атомов плутония расщепляются так же исправно, как ядра урана-235.

Необыкновенное происходит явление: атомный реактор производит больше топлива, чем сжигает его! Сгорает уран-235, а в это время из урана-238 образуются новые запасы ядерного горючего – плутония. Вот почему не приходится бояться, что ненадолго хватит природных запасов расщепляющегося урана-235. Атомного топлива хватит человечеству на тысячелетия, как щедро его ни расходовать.

А мир будет щедро его расходовать. Уже не авторы фантастических романов, как недавно, а учёные-изобретатели трудятся над проектами, осуществление которых изменит жизнь на нашей планете.

Построены атомные суда – ледокол и подводные лодки. Скоро будет и другой атомный транспорт. На соседние планеты полетят атомные космические корабли.

Атомная энергия будет опреснять воду – огромные количества воды. И тогда пустыни перестанут быть пустынями. Они покроются зеленью – плантациями и садами. Когда же это будет? Через столетие? Нет, может быть, прежде, чем вы кончите школу, на сухих землях у Каспийского моря, где людям приходилось пить воду, привезённую издалека, зацветут богатые сады и тракторы будут готовить к посеву ставшую плодородной почву.

А потом построят атомный строительный комбайн. Проект его уже разрабатывается. Он сможет пройти по тайге и оставить за собой покрытое асфальтом шоссе. Он пройдёт по болоту, пророет канал – и на месте осушённых болот раскинутся зелёные луга.

За Полярным кругом, на далёком Севере, можно будет создать курорт с тропической растительностью, островок с жарким летом, окружённый суровой зимой.

Ну, это, уж наверно, очень не скоро? Нет. Крупный учёный, специалист по атомной энергии, думает, что вам доведётся увидеть и тропический оазис на Севере, и незамерзающие порты в Арктике, и, может быть, даже искусственно созданные с помощью атомной энергии тёплые морские течения.

Вот что сулят реакторы с быстрыми нейтронами, которые будут производить больше ядерного горючего, чем сжигать его.

Освоение ядерной энергии только началось. А учёные уже трудятся и над решением новой задачи, в тысячи раз сложнее: они пытаются укротить, заставить работать на пользу людей термоядерную реакцию, которую пока сумели использовать только для создания оружия чудовищной силы – водородной бомбы. Эта реакция воспроизводит у нас на Земле процесс, который непрерывно происходит на Солнце и на других звёздах. Ядра атомов «тяжёлого» и «сверхтяжёлого» водорода (их называют дейтерий и тритий) [^1] соединяются и образуют ядро атома другого вещества – гелия. При этом высвобождается огромное количество энергии. Тепло и свет Солнца, которое греет и освещает нашу планету, – результат термоядерной реакции. Она происходит при температуре в десятки миллионов градусов.

[¹ «Тяжёлым» называют водород, атомный вес которого несколько больше, чем содержащегося в обычной воде. Дейтерий в очень небольших количествах есть в морской и речной воде, а тритий образуется под воздействием космических лучей и встречается в природе только в дождевой воде.]

Мы научились воспроизводить эту реакцию на одно мгновение, как было сперва и с расщеплением атомов урана. Мгновенная реакция даёт взрыв чудовищной силы. Его нельзя использовать для полезной работы – его используют только для создания водородной бомбы. А научиться управлять термоядерной реакцией, иначе говоря, замедлить её примерно в миллион раз, необычайно трудно.

Мы на Земле знали до сих пор три состояния вещества: твёрдое, жидкое и газообразное. Разреженный газ при температуре в миллионы градусов переходит в четвёртое состояние вещества, которое называется плазмой. Только в плазме может происходить слияние водородных ядер.

Из какого же материала можно построить сосуд, стенки которого выдержали бы температуру Солнца? Такого материала, разумеется, нет.

Но нет предела силе человеческой мысли. Учёные нашли выход – они изобрели… невидимый сосуд. Этот сосуд – магнитные поля, образуемые мощными электромагнитами. Разреженный газ в стальной трубе нагревается электрическим током до огромной температуры, при которой газ превращается в плазму. А магнитные поля не дают плазме приблизиться к стенкам трубы и мгновенно обратить её в газ.

Но пока удаётся создавать плазму лишь на миллионные доли секунды. Сделать плазму устойчивой – задача, состоящая из сотни задач, сложнее которых, пожалуй, нет в современной науке и технике. Шаг за шагом идут учёные к их решению. И к тому времени, как вы будете читать эти строки, учёные, быть может, справятся уже со многими препятствиями на пути к великой цели – к созданию термоядерного реактора, который навсегда снимет с человечества заботу об источниках энергии.