/
Автор: Михайлов В.А.
Теги: физика ядерная физика атомная энергетика серия научно-популярная библиотека
Год: 1958
Текст
ЗКБЛЯСГГГКА
В. А. Ми^саИ^ов
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ПОЛУЧЕНИЯ
АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА
В. А. МИХАЙЛОВ
КАНДИДАТ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК, ДОЦЕНТ
ИНЖЕНЕР-ПОЛКОВНИК
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ПОЛУЧЕНИЯ
АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ
Второе исправленное
и дополненное издание
— ^Ос-
военное ИЗДАТЕЛЬСТВО
МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ СОЮЗА ССР
МОСКВА — 1958
К ЧИТАТЕЛЯМ!
Военное Издательство
просит присылать свои отзывы
и замечания на книги
«Научно-популярной библиотеки»
по адресу:
Москва, К-9, Тверской бульвар, 18.
Управление
Военного Издательства.
Виктор Александрович Михайлов
«ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ»
Редактор Кадер Я. М.
Консультанты издательства кандидаты технических наук
Мкртичев М. Г., Науменко И. А.
Художественный редактор Гречихо Г. В.
Обложка художника Митрофанове. С. А.
Технический редактор Медникова А. Н. Корректор Иванова А. П.
Сдано в набор 25.07.57 г. Подписано к печати 7.12.57 г.
Формат бумаги 84хЮ8732— 572 печ. л. 9,020 усл. печ. л. 9,22, уч.-изд. л. +
+ 1 вклейка — 78 печ. л. = 0,205 усл. печ. л.
Г-32777.
Военное Издательство Министерства обороны Союза ССР
Москва, Тверской бульвар, 18.
Изд. № 1/9119. Зак. 582.
1-я типография имени С. К. Тимошенко
Управления Военного Издательства Министерства обороны Союза ССР
Москва, К-6, проезд Скворцова-Степанова, дом 3.
Цена 2 р. 75 к.
ВВЕДЕНИЕ
нергия — это мера физического движения материи во
всех ее формах. Соответственно многообразию форм
движения материи, имеющихся в природе, существуют; раз-
личные 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 со-
хранения 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 фабри-
ках 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 промышленно-
сти, сельского хозяйства, науки и культуры. Вот почему от-
крытие новых источников энергии и способов ее использова-
ния, выявляя новые возможности для развития производи-
тельных сил, всегда способствовало прогрессу человеческого
общества.
1*
3
Изобретение И. Ползуновым, и затем Д. Уаттом универ-
сальной паровой машины, способной в любое время и в лю-
бом месте превращать химическую энергию топлива в меха-
ническое движение,- явилось началом промышленной рево-
люции, означавшей коренной перелом в развитии человече-
ского общества. Благодаря применению паровой машины
энергия топлива получила широкое распространение в про-
мышленности и на транспорте, обеспечивая их развитие. За-
тем на помощь паровой машине пришёл двигатель внутрен-
него сгорания. Наконец во второй половине XIX столетия
потребности развивающегося общества привели к овладе-
нию наиболее универсальной формой энергии — электриче-
ской энергией.
Непрерывно расширяющееся применение электрической
энергии является характерной чертой современного произ-
водства. Электрическую энергию можно производить, ис-
пользуя энергию воды и ветра, сжигая малоценные сорта
топлива на месте потребления, а затем передавая ее по про-
водам к месту потребления. Огромное значение придавал
электричеству великий Ленин, рассматривавший электрифи-
кацию страны как техническую базу коммунизма: «Комму-
низм — 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 зем-
леделия, на новую техническую базу, на техническую базу
современного крупного производства. По инициативе
В. И. Ленина был составлен Государственный план электри-
фикации России (план ГОЭЛРО), который давно уже пере-
выполнен. Большая программа дальнейшей электрификации
страны в соответствии с директивами XX съезда КПСС вы-
полняется 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 непре-
рывно растущим потреблением энергии. За последние сто
лет мир использовал количество энергии, равное примерно
половине того, которое было потреблено человечеством в те-
чение первых восемнадцати столетий нашей эры. На протя-
жении последних десятилетий наблюдается дальнейший рост
производства и потребления энергии.
Статистика показывает, что производство энергии в
СССР и в других странах социалистического лагеря растет
4
гораздо быстрее, чем в странах капитализма. К концу
XX столетия производство и потребление энергии в странах
социализма должно вырасти по сравнению с настоящим вре-
менем примерно в 100 раз.
По данным Международной научно-технической конфе-
ренции, 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 неиз-
бежность кризисов и экономических потрясений в странах
капитала, можно предполагать, что потребление энер-
гии в этих странах увеличится за это время примерно
в 3 раза.
Основным источником энергии в настоящее время слу-
жит топливо — уголь, нефть, торф и природный газ, за счет
которого покрывается около 80% мировой потребности энер-
гии. Только 1,5% всей потребности в энергии удовлетво-
ряется гидроэлектростанциями. Производство гидроэлектро-
энергии 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 соответ-
ственно 4—5 млрд, т жидкого топлива. Огромное все воз-
растающее количество нефтепродуктов поглощают совре-
менные вооруженные силы. Эшелон железнодорожных ци-
стерн горючего требуется для того, чтобы обеспечить бое-
вой вылет одной авиационной дивизии реактивных бомбар-
дировщиков.
Перед многими странами уже сейчас реально встает
угроза истощения их топливных ресурсов и возникает про-
блема — найти и использовать новый источник энергии, спо-
собный заменить непрерывно уменьшающиеся запасы ка-
менного угля, нефти, газа и других горючих материалов.
И такой источник был найден в результате научных ис-
следований, проведенных в последние десятилетия учеными
многих стран. Новым необычайно мощным источником энер-
гии оказались атомы — мельчайшие частицы вещества, в
ядрах которых скрыты огромные запасы энергии. Энергия,
которая освобождается в результате превращений, происхо-
дящих с ядрами атомов, получила название атомной энер-
гии. 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
5
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 достиже-
ний 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 спо-
собностью. Один килограмм такого ядерного горючего, как
уран, может дать при существующем уровне развития атом-
ной 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, откры-
вает перед человечеством колоссальные возможности роста
производительных сил, технического и культурного про-
гресса, увеличения общественного богатства.
Однако в странах с различным общественным и государ-
ственным строем огромные возможности, открываемые ядер-
ной энергией, используются по-разному.
В Советском Союзе ядерная энергия используется в ин-
тересах 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 мощ-
ностью 5 тыс. кет. Шестым пятилетним планом предусма-
тривается строительство в течение 1956—1960 гг. больших
атомных электростанций общей мощностью в 2—
2,5 млн. кет.
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 элек-
тростанциях является одним из главных путей мирного
использования ядерной энергии, но наряду с этим имеются
и другие пути.
6
В СССР спущен на воду ледокол «Ленин» с атомной
силовой установкой мощностью в 44 тыс. л, с.\ разверты-
ваются работы по атомным силовым установкам для других
.кораблей и для воздушного и сухопутного- транспорта;
широко применяются в промышленности, сельском хозяй-
стве и науке радиоактивные вещества и излучения.
По использованию ядерной энергии в мирных целях Со-
ветский Союз идет впереди других стран, что убедительно
было продемонстрировано всему миру на состоявшихся ле-
том 1955 г. сессии Академии наук СССР в Москве и Л4ежду-
народной научно-технической конференции в Женеве. Ко-
лоссальные возможности, открытые ядерной энергией, пре-
вращаются в условиях социалистического строя в действи-
тельность.
Верное политике укрепления мира и дружбы между на-
родами, Советское государство выступает за широкое меж-
дународное сотрудничество в области использования ядер-
ной энергии в мирных целях. Советское государство охотно
делится своими достижениями со всеми странами, оказы-
вает 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 Демо-
кратической Республике, Болгарии и в других странах. Со-
ветский Союз поставляет этим странам различное оборудо-
вание и атомные установки, необходимые для организации
научных исследований.
Например, в Чехословакии, имеющей высокоразвитую
промышленность и испытывающей недостаток энергии, с по-
мощью советских ученых строится атомная электростанция
мощностью в 150 тыс. кет, которая будет закончена в
1960 г. Германская Демократическая Республика в содру-
жестве с Советским Союзом приступила к сооружению
атомной электростанции мощностью в 100 тыс. кет.
Начало новому этапу в развитии международного сотру-
дничества социалистических стран в области научных иссле-
дований положено организацией Объединенного института
ядерных исследований. Он находится в г. Дубна Московской
области. Этот институт — международная организация, уча-
стниками которой являются двенадцать государств: Народ-
ная Республика Албания, Народная Республика Болгария,
Венгерская Народная Республика, Германская Демократа-
7?
ческая Республика, Китайская Народная Республика, Ко-
рейская Народно-Демократическая Республика, Монголь-
ская Народная Республика, Польская Народная Респуб-
лика, Румынская Народная Республика, Демократическая
Республика Вьетнам, Советский Союз и Чехословацкая Рес-
публика. Другие государства, которые в будущем поже-
лают принять участие в работе Объединенного института,
могут по решению большинства государств — членов инсти-
тута 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, им-
периалистической политики, и в меньшей мере занимаются
использованием этой энергии в промышленных целях.
Впереди других стран капиталистического мира в про-
мышленном использовании ядерной энергии идет Англия.
Ее топливные ресурсы к настоящему времени уже значи-
тельно истощены, добыча угля с каждым годом усложняется,
а стоимость его увеличивается. Трудное положение с энерге-
тикой и заставило Англию обратиться к новому мощному
источнику энергии.
Первая английская атомная электростанция мощностью
46 тыс. кет построена в Колдер-Холле и в октябре 1956 г.
дала промышленный ток. Строится вторая такая же стан-
ция. Англия рассчитывает построить к 1965 г. несколько
атомных электростанций с общей мощностью около мил-
лиона киловатт.
В США приступлено к строительству пяти атомных элек-
тростанций разного типа мощностью 75—236 тыс. кет. 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. Пер-
вая из них будет мощностью 40 тыс. кет. Одна атомная
электростанция мощностью 20 тыс. кет строится в Канаде,
пуск ее предполагается в 1958 г.
Таким образом, если XIX век был по преимуществу ве-
ком пара, то XX век — век электричества — на наших гла-
зах начинает превращаться в век атомной энергии. Проис-
ходит величайшая технико-экономическая революция, свя-
8
занная с широким и многообразным применением ядерной
энергии.
Использование нового источника энергии влечет за со-
бой коренное преобразование не только энергетики, но
также и транспорта, технологии, быта и здравоохранения;
создается новая техника автоматизации, меняющая харак-
тер труда и обусловливающая колоссальное повышение его
производительности; складываются новые условия для раз-
мещения 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 соб-
ственно энергетики, и заключается суть этой технической
революции, начало которой было положено первой совет-
ской 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 ми-
ровой 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. Империа-
листы использовали новое оружие против женщин, стари-
ков и детей в целях шантажа и запугивания миролюбивых
народов как средство для завоевания мирового господ-
ства.
За истекшее время опасность атомной войны не только
не уменьшилась, но, наоборот, возросла во много раз. За-
пасы ядерного оружия увеличились. К числу государств,
производящих или пытающихся производить атомное ору-
жие, присоединяются новые государства. В результате про-
веденных взрывов атомных и водородных бомб вся поверх-
ность Земли и особенно северное полушарие оказались
загрязненными радиоактивными веществами, образую-
щимися при каждом взрыве.
В случае возникновения войны с применением ядерного
оружия бедствия человечества будут весьма большими.
Многие миллионы людей могут погибнуть непосред-
9
ственно 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 да-
вать меньше радиоактивных осадков, чем испытанные ра-
нее, также принесут неисчислимые страдания челове-
честву.
Атомная война опустошит огромные районы земной по-
верхности, которые на длительный период времени станут
непригодными для жизни, миллионы людей далеко за пре-
делами районов военных действий могут быть поражены
радиоактивными осадками, а многие из оставшихся в жи-
вых дадут генетически неполноценное потомство с повышен-
ной смертностью, с укороченным периодом жизни и с боль-
шим процентом уродств и аномалий х.
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 потре-
буется гораздо больше времени. Однако не прошло и не-
скольких лет, как советские ученые, которыми справедливо
гордится советский народ, самостоятельно разработали не-
сколько способов производства ядерной энергии как в ин-
тересах 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 пози-
ции силы».
Достижения Советского Союза в области ядерной энер-
гии и ее применения не сводятся к какому-либо одному
открытию или расшифровке секрета, как это иногда упро-
щенно представляют. В действительности мы имели здесь
крупнейшее, хорошо организованное наступление целого
фронта советской науки, успешно осуществленное в после-
военное время. Наши успехи явились результатом политики,
проводимой Коммунистической партией и правительством
Советского Союза с первых лет существования Советского
1 См. статью акад; А. В. Топчиева «Устранить угрозу атомной
войны». Газета «Правда» от 16 августа 1957 г.
10
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 со-
хранении и укреплении мира между всеми народами. Совет-
ское 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 го-
товятся к войне против Советского Союза и стран народной
демократии. В этих условиях партия и правительство все-
мерно укрепляют оборону нашего социалистического госу-
дарства от агрессивных действий его врагов. Советские Во-
оруженные Силы имеют в своем распоряжении все виды
современного вооружения и боевой техники, включая раз-
личные образцы атомного и термоядерного оружия и ракет-
ной 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, ре-
шились 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 ядер-
ная 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 раз-
витие производительных сил и увеличение общественного
богатства.
В настоящей книжке изложены основные вопросы ядер-
ной физики, знание которых необходимо для понимания осо-
11
бенностей ядерной энергии и тех физических принципов, ко-
торые используются или предполагаются использоваться в
ближайшем будущем для ее производства. Книжка рассчи-
тана на широкий круг военных читателей со средним обра-
зованием, стремящихся познакомиться с новой областью
науки, имеющей большое практическое значение.
I. ATOM И АТОМНОЕ ЯДРО
1. Что такое атом
Атомная, или ядерная, энергия сосредоточена (скрыта) в
ядрах атомов вещества и освобождается, то есть пере-
ходит в другие виды энергии, в результате ядерных превра-
щений.
Чтобы открыть ядерную энергию и научиться ее исполь-
зовать, необходимо было изучить строение вещества, про-
никнуть внутрь его, познать свойства и законы взаимодей-
ствия составляющих его частиц и научиться управлять их
превращениями.
Идея о том, что любое вещество, кажущееся нам сплош-
ным, состоит на самом деле из мельчайших частиц — ато-
мов, была высказана впервые более двух тысяч лет тому
назад философами-материалистами древней Греции Демо-
критом и Левкиппом. Атомы предполагались неделимыми,
что нашло свое отражение и в самой терминологии: слово
«атом» по-гречески означает «неделимый». Это была гени-
альная догадка, позволявшая объяснить многие явления
природы, которые ранее представлялись таинственными и
божественными. Поэтому не случайно материалистическое
учение древнегреческих ученых об атомах было объявлено
церковниками ересью и долгое время находилось под запре-
том церкви.
И только в XVII и XVIII столетиях под влиянием запро-
сов развивающегося производства и торговли это учение
вновь возрождается на новой основе как научная гипотеза.
Выдающийся вклад в разработку этой гипотезы и превра-
щения ее в научно обоснованную физическую теорию при-
надлежит М. В. Ломоносову, Дж. Дальтону и другим уче-
ным.
13
В XIX веке было уже известно, что все вещества окру-
жающих нас предметов разделяются на простые и сложные.
Такие вещества, которые невозможно химическими спосо-
бами разложить на более простые, были названы химиче-
скими элементами, то есть химически простыми веществами.
Таковы, например, водород, гелии, кислород, которым мы
дышим, алюминий, уран и т. д.
Большинство веществ природы относится к числу слож-
ных: они состоят из большего или меньшего числа химиче-
ских элементов. Таковы, например, вода, которую можно
разложить на кислород и водород, сталь, состоящая из же-
леза, углерода и других элементов, и многие другие веще-
ства.
Считалось, что каждый химический элемент состоит из
мельчайших частиц — зерен вещества или атомов, на кото-
рые распадается элемент при химических превращениях
(реакциях). Атомы — это предел делимости химического
элемента, поэтому их нельзя разложить химическими спо-
собами на еще меньшие частицы. Атом является материаль-
ным носителем присущих элементу химических и физиче-
ских свойств.
Атомы сравнительно небольшого числа химических эле-
ментов, существующих в природе, соединяясь в различных
комбинациях, образуют все бесконечное многообразие слож-
ных веществ природы. Частица вещества, построенная из
нескольких атомов, называется молекулой. Молекула, на-
пример, воды построена из двух атомов водорода и одного
атома кислорода. Один атом металла натрия, соединяясь с
атомом газа хлора, образует молекулу поваренной соли,
которую мы употребляем в пищу. Число атомов, входящих
в состав молекул более сложных веществ, исчисляется
иногда сотнями и тысячами.
Как можно заключить из вышесказанного, все вещества
природы (как простые, так и сложные) состоят в конечном
счете из атомов. Атомы — это как бы «кирпичики», из ко-
торых построены все окружающие нас тела и мы сами.
На свете не было и нет еше такого микроскопа, который
позволил бы увидеть отдельные атомы. Но наука нашла
другие способы обнаружения атомов и изучения их свойств.
В результате к концу XIX и началу XX столетия, когда
экспериментальные методы науки достигли значительного
совершенства, существование атомов было достоверно до-
казано.
14
Правда, и тут нашлись такие скептики, которые пыта-
лись поставить под сомнение существование атомов, воскре-
шая тем самым линию средневековых церковников. Это
были Мах, Оствальд и другие представители реакционной
идеалистической философии, утверждавшие, что атомы —
это выдумка и что якобы скоро упоминание об атомах бу-
дут находить лишь в пыли библиотек.
История жестоко посмеялась над этими «пророками».
Доказав реальность существования атомов, физики-материа-
листы определили их размеры, вес (массу) и проникли в их
недра, открыв много новых и интересных явлений. Проник-
нув внутрь атомов, исследовав их строение и те сложнейшие
процессы, которые там происходят, физики пришли к откры-
тию ядерной энергии. Этим физика еще раз подтвердила
незыблемость положения диалектического материализма о
безграничных возможностях науки в познании окружаю-
щего нас мира.
2. Размеры и масса атома
Даже крупные молекулы, состоящие из нескольких ты-
сяч атомов, столь малы, что увидеть их в самый сильный
оптический микроскоп не представляется возможным. При
помощи такого микроскопа можно рассмотреть лишь пред-
меты, размеры которых превышают тысячную долю милли-
метра. Электронный микроскоп, изобретенный в последние
десятилетия, увеличил возможность наших органов зрения,
отодвинув границу невидимого до нескольких миллионных
долей миллиметра. С помощью этого замечательного при-
бора удалось, наконец, увидеть и сфотографировать отдель-
ные наиболее крупные молекулы. Но атомы мы пока не мо-
жем видеть; их размеры определены косвенным путем. Ока-
залось, что в среднем диаметр атома равен примерно одной
стомиллионной доле сантиметра. Это означает, что ряд, по-
строенный из ста миллионов атомов, расположенных вплот-
ную один к другому, занял бы всего около одного санти-
метра. Атом во столько раз меньше яблока средней вели-
чины. во сколько само яблоко меньше земного шара.
Масса или вес отдельного атома также чрезвычайно
малы1. Это можно видеть из следующего примера. Количе-
1 В обычных условиях, в которых мы живем, вес и масса тела,
выраженные в килограммах или граммах, численно равны между собой.
Килограммовая гиря весит в наших условиях 1 кГ и в то же время
имеет массу, равную 1 кг.
15
ство атомов, содержащихся в одном грамме водорода, выра-
жается числом, состоящим из цифры 6 с двадцатью тремя
нулями:
600 000 000 000 000 000 000 000,
что можно записать кратко в виде: 6 • 1023. Представить, на-
сколько велико это число, можно из следующего примера.
Если бы все атомы, содержащиеся в одном грамме во-
дорода, удалось распределить равномерно по всей Земле,
то на каждый сантиметр ее поверхности пришлось бы около
100 тыс. атомов.
Поскольку в одном грамме водорода содержится 6 • 1023
атомов, то отсюда нетрудно сообразить, что масса одного
такого атома будет равна единице, деленной на 6 - 1023, что
дает 1,66- 10—24 г. Другими словами, масса атома водорода
равна 1,66 г, деленным на число из единицы с 24 нулями1.
Отсюда видно, что массы (соответственно и веса) ато-
мов в граммах выражаются крайне малыми числами. По-
этому в атомной физике применяют обычно специальные
единицы веса и массы, более удобные на практике.
Вес атомов выражают в относительных единицах, в ко-
торых вес атома кислорода принимается равным 16 единицам.
Число, равное отношению веса данного атома к весу ——-
16
части атома кислорода, называется атомным весом. Атом-
ный вес водорода, самого легкого из всех химических эле-
ментов, составляет 1,008, что приблизительно равно еди-
нице. Отсюда следует, что приближенно атомный вес можно
1 Для очень больших и очень малых чисел обычно пользуются та*
кой записью:
Для больших чисел: 100 = 10 X 10 = Ю2 — десять в квадрате или
десять во второй степени; 1000 = 10 X 10 X 10 = 103 — десять в третьей
степени и т. д.;
миллиард коротко пишется так:
1 000 000 000 = 109 — десять в девятой степени.
Для малых чисел:
0,001 = = —= 10”3 — десять в минус третьей степени.
Знак минус означает, что 103 стоит не в числителе, а в знамена*
теле дроби. Одна миллиардная будет записываться так:
0,000000001 = юоооооооо’=И9= 10-9 “десять в МИНУС девятой
степени.
16
Зак. 582
ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА
кгоигац РЯДЫ ГРУППЫ ЭЛЕМЕНТО В
1 - R,0 II - R0 III - RA IV RH, R0, V RH, НД VI НН2 R0, VII RH R,0, VIII - R0, 0
1 I R Цодород 1,0080 1 (Н) Не2 ГЕЛИЙ 4,003 2
2 и К Митий , 6,940 г ?е?иллий г 9,013 2 5 В 3 БОР 2 Ю,82 6 С 4 УГЛЕРОД * 2 12,011 ’ N 5 АЗОТ 2 14,008 8 0 6 КИСЛОРОД 1 16,0000 9 F 7 ФТОР 2 19,00 Ne'0 НЕОН в 20,183 2
3 ш ь к ^ЙгриА в 22,991 г я 12 Ц& ний • 24,32 2 13 Д] в АЛЮМИНИЙ 2 26,08 • w s? в КРЕМНИЙ 2 24,0» , 5 р в Фосфо? 2 30,975 . ,6 s 8 СЕРА 2 32,066 , ” С1 в ХЛОР 2 35,45? Аг'8 , АРГОН в 39,944 2
4 IV м L К к 49 • Э9/00 2 Са ’° .5 КАЛЬЦИЙ в 40,08 г ^ЙкНДИЙ 8 44,96 2 PW4 • 22 MiTAH ’2 47,90 2 V 11 « ВАНАДИЙ в 50.95 2 хч 24 Сг ХРОМ 8 52,01 t Мп5 < МАРГАНЕЦ 8 54,94 2 Ре 76 .1 ЖЕЛЕЗО а 55,65 г Со2’ .. КОБАЛЬТ, в 58,94 2 Ni28 ,5 НИКЕЛЬ а 58,69 2
V N М L К .1 3U 2 63,54 30 „ •8 и инк 8 ЦИНК. 2 65,38 31 ’в ГАЛЛИЙ 2 69,72 .1 52 Ge 'J ГЕРМАНИЙ 2 72,60 зз д ’ As 8 мышьяк г 74.91 34 Se 8 СЕЛЕН 2 78,96 ,1 ” Вг в БРОМ 2 79,916 Кг36 ,1 КРИПТОН В 83 80 2
5 VI О К М L К %ий '• О 58 2 стронций ’5 87,63 г у 59 2 ИТТРИЙ 'S 88,9% 2 7 io ЦИРКОНИЙ’! 91,22 2 Nb41 а |? НИОБИЙ в 92,91 2 МОЛИБДЕН ’в Тс‘5 ТЕХНЕЦИИ ? (99) 2 Ru44. £ РУТЕНИИ е 101,1 2 Rh45 « W i Pd46 » ПАЛЛАДИЙ
VII 0 N М L К ‘5 СЕРЕБРО 2 107,880 'J КАДМИЙ^ 2 112,41 з 49 ¥ 18 |П в индии 2 И4-.76 4 50 £1 1 олов?П 2 118,70 • 51 Sb 8 СУРЬМА 2 121,76 !• ” Те 8 ТЕЛЛУР 2 127,61 ? 53 Y ]! J в иод 2 126.91 Хе54 КСЕНОН в • 31,3 2
6 VIII Р О N М L К 55 • Cs :s ЦЕЗИЙ в 132,91 2 Ва56. 1 БАРИЙ в •37,36 2 _ эт « LaEHS;» ЛАНТАН в 138,92 2 Hf72 й ГАФНИЙ ’в 178,6 2 Та75 « ТАНТАЛ 180,95 2 W74 » ВОЛЬФРАМ ’в 183,92 2 Re”, й РЕНИИ в 186,31 2 0s76 |1 ОСМИЙ в • 90,2 2 Ir ” - Й ИРИДИИ 8 192,2 2 Pt’8 й ПЛАТИНА в •95,23 2
IX О м к ;; 79 Au в золото 2 197,0 •I 8°Hg 8 РТУТЬ Ь 2 200,61 й 81 Т1 а ТАЛЛИИ 2 204,39 S 82 РЪ 8 СВИНЕЦ 2 207,21 s 83 Bi 8 ВИСМУТ 2 209,00 | ИР.о i полонии 2 210,0 ;? 85 At в АСТАТИН 2 (210) Rn86 й РАДОН ’« 222,0 2
7 X ? 0 м м к 87 ’ Fr й ФРАНЦИЙ 'J (223) 2 88 ’ Ra я РАДИЙ ’! 226,05 2 89 3 АС11°:‘^ К АКТИНИЙ ’в 227 2
/
ЛАНТАНОИДЫ 0 N м к Г 83 5 Се ЦЕРИЙ в 140, »3 & Рг59 4 ПРАЗЕОДИМ в •40,92 2 Nd60 | НЕОДИМ в 144,27 2 Pm' J ПРОМЕТИИ 8 (•45) 8 Sm! ..! САМАРИИ в 150.43 2 г 53 * Ей 1| ЕВРОПИЙ 8 • 62,0 2 Gd64 ,| ГАДОЛИНИЙ 8 156,9 2
ТВ-» 26 о Число Менделеева о К» К " (ПОРЯДКОВЫЙ ИОМЕР) 2 н к хЛжЯ ЖЕЛЕЗО 14р ОБОЗНАЧЕНИЕ НАЗВАНИЕ ЭЛЕМЕНТА g” о _ 5 5,85 . 2«“ ХИМИЧЕСКИЙ АТОМНЫЙ ВЕС э-
О N М К Tb65 J ТЕРБИИ *| 156,93 г »У66 1 ДИСПРОЗИИ в 162,46 2 Но6’ J ГОЛЬМИЙ в 164,94 2 v 68 5 Ьг л ЭРБИЙ в 167,2 г лр 69 £ Tu . II ТУЛИИ '• 168.94 £ Yb’° ,1 ИТТЕРБИЙ 'в 173,04 1 Lun J ЛУТЕЦИЙ *8 174.99 2
! АКТИНОИДЫ Q р 0 N М К 90 Л Th ТОРНЙ 'в 232,05 г г» 91 5 Ра протактиний'® 231 2 IT 92 ’ и УРАН 23в.0Г 1 93 2 Np | НЕПТУНИЙ в (23’) 2 94 1 Pu 5i ПЛУТОНИЙ ‘в (242) 2 Ат* ?| АМЕРИЦИЙ 'е (243) 2 Г 96 ? Cm It КЮРИЙ ’2 (243) 2
Q Р 0 N м к 9J 1 Вк 11 БЕРКЕЛИЙ (245) 2 98 2 СГ й КАЛИФОРНИЙ’® (246) г 99 F 2 Ла и. ЭЙНШТЕЙИИЙ’в (247) 2 100 R Fm й ФЕРМИЙ '? (248) г 101 * Mv 1 МЕНДЕЛЕВИЙ1! Ю2 2 32 новилии 2 юз f 52 32 IB 8
ЦЕЛОЕ ЧИСЛО В СЧС5КАХ - МАССОВОЕ ЧИСЛО НАИБОЛЕЕ УСТОЙЧИВОГО ИЗОТОПА ИСКУССТВЕННОГО
РАДИОАКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА
•Целое число без скобок-массово^ число наиболее распространенного изотопа природ-
ного радиоактивного элемента
Рис. 1. Периодическая система элементов Д. И. Менделеева
Зак. 582
определить как вес данного атома по отношению к весу
атома водорода.
Массу атомов выражают в специальных атомных едини-
цах массы (сокращенно а. е. м.), в которых масса атома
кислорода принимается равной 16 единицам. 1 а.е.м. равна
1,66 • 10~24 г, что соответствует приблизительно массе
атома водорода.
Из вышеизложенного следует, что относительный атом-
ный вес и масса атома в атомных единицах численно равны
между собой. В силу этого атомный вес, приведенный в таб-
лице Д. И. Менделеева (рис. 1) для каждого элемента, дает
нам в то же время массу атома этого элемента в атомных
единицах. Если, например, атомный вес гелия равен 4,003,
то это значит, что масса атома гелия равна 4,003 а. е. м.
Атом урана — самый тяжелый из всех атомов, существу-
ющих в природе, — в 238 раз тяжелее атома водорода, его
атомный вес 238; масса его атома равна 238 а. е. м. Атом-
ный вес, округленный до целых единиц, называется массо-
вым числом.
3. Великий закон природы
Почти до конца прошлого столетия в науке господство-
вало ошибочное убеждение, что атом представляет собой
неизменную, абсолютно неделимую элементарную частицу
вещества.
В конце XIX и начале XX столетий, когда наука смогла
проникнуть внутрь атома, выяснилось, что атом представ-
ляет собой сложное материальное образование, состоящее
из нескольких более простых частиц и способное к измене-
ниям и превращениям.
В обосновании нового учения об атоме и овладении за-
ключенной в нем энергией выдающуюся роль сыграл откры-
тый в 1869 г. гениальным русским химиком Д. И. Менделе-
евым периодический закон химических элементов. Глубочай-
шая вера в объективность законов природы привела Мен-
делеева, убежденного материалиста и диалектика, к откры-
тию великого закона природы, которое Ф. Энгельс оценивал
как научный подвиг.
Менделеев установил, что свойства химических элемен-
тов изменяются периодически и что между ними сущест-
вует внутренняя закономерная связь. Основываясь на
этом, Менделеев расположил химические элементы в ряд
по их атомным весам, построив таким образом периодиче- 2
2 В. А. Михайлов 17
скую систему (таблицу) элементов, которая охватывает
все существующие химические элементы (рис. 1).
В 1869 г. было известно только 64 элемента. Из них
лишь 35 были изучены настолько хорошо, что их можно
было уверенно расположить в системе. У остальных изве-
стных элементов даже основные свойства еще не были из-
учены в достаточной мере.
Однако глубоко уверенный в правильности открытого
им закона. Менделеев размещал элементы в периодиче-
ской системе, изменяя неверные значения атомного веса
ряда элементов и предсказывая новые их свойства. В не-
которых случаях ученый оставил в таблице пустые клетки
для не открытых, но, по его мнению, существующих в при-
роде элементов.
«Каждый естественный закон, — писал Менделеев, —
однако, тогда только приобретает особое научное значе-
ние, когда из него есть возможность извлекать практиче-
ские, если можно так выразиться, следствия, то есть такие
логические заключения, которые объясняют не объяснен-
ное еще. указывают на явления, до тех пор неизвестные, и,
особенно, когда он дает возможность делать такие пред-
сказания, которые возможно подтвердить опытом. Тогда
очевидна становится польза закона и получается возмож-
ность испытать его справедливость».
Опираясь на открытый им закон, Д. И. Менделеев пред-
сказал существование новых, неизвестных еще элементов и
наперед описал физико-химические свойства некоторых из
них.
Дальнейшее развитие науки блестяще подтвердило заме-
чательные предвидения великого ученого. Несколько из ука-
занных Менделеевым элементов были открыты еще при его
жизни, и свойства их полностью совпали с его предсказа-
ниями.
Величие подвига Д. И. Менделеева стало особенно от-
четливым в XX столетии, когда открытый им закон получил
глубокое обоснование новыми открытиями физики.
Новейшие исследования показали, что в принятом Мен-
делеевым порядке размещения элементов нет ни одной
ошибки. Все элементы, открытые после 1869 г., разместились
на оставленных для них местах, подчиняясь тому же еди-
ному для всех элементов периодическому закону.
В настоящее время в периодической системе Менделеева
насчитывается 102 элемента, начиная с самого легкого во-
дорода, находящегося на первом месте, и кончая менделе-
18
йием, открытым в 1955 г. и занимающим 101 место, и ноби-
лием, открытым в 1957 г. и занимающим 102 место. Амери-
канский физик Г. Сиборг и его сотрудники, открывшие
101 элемент, присвоили ему название менделевий в честь
автора периодической системы, служащей в течение почти
столетия ключом к открытию новых элементов.
Каждый химический элемент имеет в периодической си-
стеме строго определенное место с определенным порядко-
вым номером, называемым числом Менделеева, или атом-
ным номером. Водород, открывающий таблицу, имеет номер
1, гелий — 2, уран — 92 и т. д. Атомный номер набран в
таблице (рис. 1) крупным жирным шрифтом. Там же под
наименованием элементов приведены их атомные веса.
С возрастанием атомного номера свойства элементов пери-
одически изменяются. Зная место элемента в периодической
таблице, можно указать его основные свойства.
Атомный номер Z и атомный вес А — это основные вели-
чины, которыми характеризуются атомы каждого элемента.
Из периодического закона следует, что атомы различных
элементов внутренне связаны между собой и поэтому, отли-
чаясь друг от друга, они должны в то же время иметь
что-то общее, дающее им возможность к изменениям и пре-
вращениям друг в друга. Отсюда получается, что атомы не
могут быть простыми и неизменными шариками с раз и на-
всегда данными свойствами, а должны иметь сложное стро-
ение.
Новый взгляд на атом, как на качественно своеобразную
материальную систему, не являющуюся чем-то простым и
неизменным, был сформулирован Ф. Энгельсом раньше, чем
это сделали сами физики и химики, а в дальнейшем развит
В. И. Лениным. Энгельс указывал, что атомы «отнюдь не
являются чем-то простым, не являются вообще мельчай-
шими известными нам частицами вещества» Ч
Важнейшими открытиями, доказавшими сложность атома
и тем самым подтвердившими взгляды Ф. Энгельса и под-
готовившими создание современной теории атома, явились
открытия электрона (1897 г.) и радиоактивности (1896—
1898 гг.).
Обобщая результаты науки начала XX столетия и кри-
тикуя старое метафизическое понимание атома как неизмен-
ной и неделимой частицы вещества, Ленин говорил, что
диалектический материализм признает неисчерпаемость
1 Ф. Энгельс. Диалектика природы, 1952 г., стр. 216.
2*
19
атома и утверждает, что «электрон так же неисчерпаем, как
и атом, природа бесконечна...» 1 Ленинское учение о неис-
черпаемости материи во всех ее частях и проявлениях,
полностью подтвержденное последующим развитием науки,
имеет важное значение для прогресса современной атомной
физики.
4. Строение атома
По современным представлениям, в формировании кото-
рых большую роль сыграли работы великого английского
физика Э. Резерфорда, атом состоит из тяжелого положи-
тельно заряженного ядра, обладающего очень малыми раз-
мерами, и легких электронов, движущихся вокруг ядра в об-
ширной области, получившей название электронной обо-
лочки (рис. 2).
Рис. 2. Строение атома
Диаметр ядра в несколько десятков тысяч раз меньше
диаметра атома. Если представить себе атом увеличенным
до размеров высотного здания Московского университета на
Ленинских горах, то ядро представится тогда в виде вишни
средней величины.
Электрон — мельчайшая частица вещества, обладающая
зарядом отрицательного электричества. Вес (масса) элек-
трона очень мал; он примерно в 1840 раз меньше веса лег-
чайшего из всех атомов — атома водорода. Электрический
заряд, меньший чем у электрона, никогда не наблюдался.
Поэтому в атомной физике принято все заряды измерять в
зарядах электрона.
1 В. И. Ленин. Соч., т. 14, стр. 249.
20
Число электронов в электронной оболочке атома равно
числу положительных зарядов в его ядре. Благодаря одина-
ковому числу положительных и отрицательных зарядов атом
в целом нейтрален, то есть электрически не заряжен.
Положительный заряд ядер атомов различных химиче-
ских элементов не одинаков: заряд ядра, а следовательно, и
число обращающихся вокруг него электронов равны поряд-
ковому номеру элемента Z в периодической системе Мен-
делеева. Так, например, атом водорода состоит из ядра,
имеющего один заряд положительного электричества-и дви-
жущегося вокруг него одного электрона. Соответственно
этому водород стоит на первом месте в периодической си-
стеме. Атом гелия состоит из ядра, имеющего двойной по-
ложительный заряд, и движущихся вокруг него двух элек-
тронов. Гелий расположен в периодической системе на вто-
ром месте. В атоме кислорода имеется 8 положительных
зарядов в ядре и 8 электронов в оболочке. Соответственно
этому кислород занимает в системе Менделеева восьмое
место.
Открытие того, что порядковый номер (положение) эле-
мента в периодической системе, от которого зависят хими-
ческие свойства элемента, равен как раз числу положитель-
ных зарядов в ядре данного атома, вскрыло глубокий смысл
системы Менделеева. Нельзя не удивляться гениальной
прозорливости великого русского химика, сумевшего за
сорок лет до открытия самого существования атомных ядер
правильно определить место каждого элемента в открытой
им периодической системе.
Строя свою систему, Менделеев располагал элементы в
порядке возрастания их атомных весов, так как атомный вес
был в то время главным отличительным признаком разных
элементов. Но, учитывая все другие свойства аргона, калия,
кобальта, никеля, иода и теллура, Менделеев разместил эти
элементы с нарушением постепенного возрастания их атом-
ных весов. Так, например, элемент теллур (атомный вес
127,6) Менделеев поставил на 52 место, а иод (атомный вес
126,9) — на 53-е, хотя их следовало бы расположить в
обратном порядке, если руководствоваться атомным весом.
Многочисленные измерения электрического заряда ядер
атомов аргона, калия, кобальта, никеля, иода, теллура
и всех других элементов показали, что число «элементар-
ных» зарядов в ядрах атомов элементов точно совпадает с
тем порядковым номером, который им дал /Менделеев
в своей периодической системе.
21
Таким образом, место элементов в периодической си-
стеме объективно обусловлено положительным зарядом их
атомных ядер. Тем самым было установлено, что число «эле-
ментарных» зарядов в ядре (число Менделеева Z) является
самой главной и существенной характеристикой атома, пол-
ностью определяющей его химические свойства.
Между положительно заряженным ядром атома и его
электронами, как и между всякими разноименно заряжен-
ными телами, действуют силы электрического притяжения,
удерживающие электроны в обширной оболочке атома.
Электроны обращаются в атоме па разных расстояниях от
ядра, располагаясь несколькими слоями. В каждом слое
может находиться лишь вполне определенное количество
электронов. Первый слой, ближайший к ядру, получил на-
Лилшй
(Z-5,K'l)
Рис. 3. Строение электронной оболочки некоторых атомов
звание /(-слоя; в нем может находиться не более двух элек-
тронов. Далее следует второй слой (L-слой), имеющий не
более 8 электронов, третий слой (М-слой), содержащий не бо-
лее 18 электронов, и т. д. Под действием сил притяжения со
стороны ядра электроны стремятся расположиться в бли-
жайших к ядру слоях. Поэтому при построении электронной
оболочки атома сперва заполняется слой К, затем L, М
и т. д. Если число электронов в атоме, равное, как мы
знаем, Z, меньше того их количества, которое необходимо
для заполнения слоев, то последний (верхний) слой остается
незаполненным. Строение электронной оболочки некоторых
атомов схематически дано на рис. 3. Каждый слой условно
изображен окружностью, на которых точками показаны
электроны.
В каждой клетке таблицы Менделеева (см. рис. 1), по-
мимо атомного номера и атомного веса, приведены колонки
цифр, указывающих распределение электронов по слоям.
Для алюминия, например, найдем следующие цифры (снизу
22
вверх): 2, 8, 3, дающие число электронов соответственно в
слоях К, L и М\ для меди — 2, 8, 18, 1 и т. д.
Первоначально ученые считали, что электроны в атоме
вращаются вокруг ядра совершенно так же, как планеты,
в том числе и наша Земля, обращаются вокруг Солнца.
Атом рассматривали как солнечную систему в миниатюре.
Однако развитие науки показало, что наряду с некото-
рым сходством между атомом и солнечной системой суще-
ствует громадное качественное различие. Движение электро-
нов в атоме значительно сложнее, и поэтому, строго говоря,
уподоблять атом солнечной системе нельзя.
Наиболее удаленный от ядра внешний слой электронов
удерживается ядром с наименьшей силой. Поэтому атомы
могут терять один или несколько электронов именно из
внешнего слоя. Чем дальше от ядра находятся внешние
электроны, способные отрываться от атома, тем легче объ-
единяются они с электронами других атомов при химиче-
ских взаимодействиях. Химическая активность элементов,
их способность участвовать в различных химических процес-
сах определяется именно внешними электронами.
Если из нейтрального атома удалить (выбить) один из
его электронов, то, лишенный электрона, атом окажется по-
ложительно заряженным. Такой заряженный атом назы-
вается положительным ионом. Электрон, выбитый из
атома и существующий либо свободно, либо присоединив-
шись к какому-либо атому, образует отрицательный ион.
Процесс удаления электрона из атома, в результате кото-
рого образуется пара ионов, называется ионизацией.
Простейшим примером иона является ионизированный
атом водорода, называемый протоном. Так как в нейтраль-
ном атоме водорода имеется всего один электрон, то не-
трудно понять, что протон, получающийся при удалении
этого единственного электрона, представляет собой попросту
ядро атома водорода.
Дважды ионизированный атом гелия, называемый
альфа-частицей, есть не что иное, как ядро атома гелия.
Чтобы ионизировать атом, необходимо произвести ра-
боту по преодолению сил электрического притяжения, удер-
живающих электрон вблизи от ядра, и, следовательно, за-
тратить некоторую энергию. Для атомов различных элемен-
тов требуются различные затраты энергии. В атмосферном
воздухе, состоящем главным образом из азота и кислорода,
необходимая для образования одной пары ионов энергия
составляет в среднем 32,5 электрон-вольта.
23
Электрон-вольт (эв) — единица энергии, принятая в
атомной физике. Электрон-вольт — такое количество энер-
гии, которое приобретает электрон, пробежавший в ускоряю-
щем электрическом поле путь с напряжением (разностью
потенциалов) в 1 в.
Часто употребляется более крупная единица — мега-
электрон-вольт (Мэе), равный миллиону электрон-вольт:
1 Мэв = 1000000 эв.
Можно показать, что мегаэлектрон-вольт равен шестна-
дцати десятимиллионным долям общефизической единицы
энергии эрга:
1 ™ 16
1 Мэв =-----------эрга,
юоооооо г
что кратко можно записать следующим образом:
1 Мэв = 16 • 10“7 эрга = 1,6 • 10~ эрга.
— о —
II. РАДИОАКТИВНОСТЬ
1. Что такое радиоактивность
В 1896 г. французский ученый А. Беккерель обнаружил,
что соли урана испускают невидимые лучи, которые
сильно ионизируют воздух, действуют на фотопластинку,
проникают через бумагу, картон и даже металл и вызывают
некоторые другие явления.
В 1898 г. французские ученые Пьер Кюри и Мария
Кюри-Склодовская открыли два новых химических эле-
мента, у которых излучение, аналогичное излучению урана,
было значительно более сильным. За это одному из вновь
открытых элементов было дано наименование «радий», что
означает «лучистый»; другой элемент был назван «поло-
нием» в честь Польши — родины Марии Кюри-Склодовской.
Свойство некоторых веществ самопроизвольно испускать
подобно радию невидимые лучи получило название радио-
активности. В последующем было обнаружено, что радио-
активностью, помимо урана, радия и полония, обладают
также торий, актиний, радон и ряд других элементов, рас-
положенных преимущественно в конце периодической си-
стемы Менделеева.
Химические элементы, обладающие радиоактивностью,
называются радиоактивными элементами. В природе встре-
чается около полутора десятков естественно радиоактивных
элементов.
Радиоактивность, свойственная веществам, встречаю-
щимся в природе, называется естественной. Исследование
естественной радиоактивности было делом всей жизни
Пьера Кюри и Марии Кюри-Склодовской.
В 1934 г. была открыта искусственная радиоактивность,
то есть радиоактивность, вызываемая по желанию человека
у таких элементов, которые в природных условиях не обла-
25
дают радиоактивностью. Открытие и исследование искус-
ственной радиоактивности принадлежит французским уче-
ным — выдающемуся борцу за мир коммунисту Фредерику
Жолио-Кюри и его жене Ирен Жолио-Кюри. Это откры-
тие — одно из крупнейших событий в истории естествозна-
ния; оно привело к разработке методов использования ядер-
пой энергии и оказало чрезвычайно большое влияние на
развитие всей науки и техники.
2. Свойства радиоактивных излучений
Что же представляют собой лучи радиоактивных ве-
ществ? Чтобы ответить на этот вопрос, ученые исследовали
поведение этих лучей в магнитном поле между полюсами
Радиоактивное
вещество
Свинец
Рис. 4. Схема опыта по разделению радиоактив-
ных лучей магнитным полем
сильного магнита. Оказалось, что узкий пучок радиоактив-
ных лучей разделяется в магнитном поле на три пучка
(рис. 4). Лучи, отклонявшиеся в ту же сторону, в которую
отклоняются движущиеся в магнитном поле положительно
заряженные частицы, назвали альфа-лучами (а). Лучи, от-
клонявшиеся в противоположную сторону, назвали бета-
лучами (Р). Наконец, лучи, которые не испытывали откло-
нения в магнитном поле и распространялись прямолинейно,
назвали гамма-лучами (у).
26
Было установлено, что альфа-лучи — это поток быстро
движущихся положительно заряженных частиц (альфа-ча-
стиц), оказавшихся при дальнейшем исследовании ядрами
атомов гелия. Альфа-частицы вылетают из радиоактивных
преимущественно тяжелых элементов во всех направлениях
с большими скоростями, достигающими 20—25 тыс. км/сек.
Двигаясь с такой скоростью, можно было бы совершить
кругосветное путешествие вокруг Земли всего за 2 секунды.
Кинетическая энергия, которой обладают альфа-частицы
при этом, может достигать 10 и более миллионов электрон-
вольт. Если бы можно было собрать один грамм таких
частиц и все их одновременно направить на какую-либо
мишень, то она получила бы удар, равный удару по край-
ней мере 100 000 артиллерийских снарядов шестидюймового
калибра.
Важнейшим свойством альфа-частиц является их боль-
шая ионизирующая способность, обусловленная главным
образом наличием у них двойного положительного заряда.
Двигаясь в веществе, альфа-частица срывает у атомов,
мимо которых пролетает, один или несколько электронов и
образует ионы. В воздухе, например, на каждом сантиметре
своего пробега альфа-частица ионизирует до 30 000 атомов
и образует, следовательно, такое же количество пар ионов.
Растрачивая энергию на ионизацию атомов, альфа-ча-
стицы пробегают сравнительно небольшой путь, после чего,
присоединяя к себе по два электрона, они превращаются в
обычные атомы гелия. Пробег альфа-частиц в воздухе имеет
величину 1—16 см.
Пробег альфа-частицы зависит от ее скорости (энергии).
Чем больше скорость, тем больше энергия частицы и тем,
следовательно, длиннее будет пробег. В подтверждение
сказанного ниже приводятся величины пробега альфа-частиц
в воздухе при температуре 15° Ц и нормальном давлении
для разных скоростей (соответственно разных энергий).
Пробег альфа-частиц в воздухе
Скорость, KMjceK Пробег, см
10 000 15 000 20 000 25 000 1,04 3,17 7,82 16,44
27
Все альфа-частицы, испускаемые каким-либо радио-
активным веществом, обладают приблизительно одинаковой'
энергией и вследствие этого имеют практически равную
длину пробега.
Пробег альфа-частиц зависит также и от плотности
среды, в которой они движутся. В твердых веществах, на-
пример, в металлах, бумаге, ткани, стекле и т. п., в которых
атомы расположены значительно ближе друг к другу, чем
в воздухе, пробег альфа-частиц во много раз короче и со-
ставляет несколько тысячных долей сантиметра. Поэтому для
полного поглощения всех альфа-частиц с энергией не более
5 Мэв требуется листовой алюминий толщиной всего
0,002 см. Ткань нашей одежды полностью поглощает альфа-
частицы любых скоростей.
Вторая' часть радиоактивного излучения — бета-лучи —
представляет собой поток сверхбыстрых электронов, выле-
тающих из ядер радиоактивных веществ со скоростями,
близкими к скорости света, когорая для пустоты равна
300 000 км/сек. Бета-лучи — наиболее распространенное из-
лучение при искусственной радиоактивности.
Ионизирующее действие бета-частиц слабее, чем у
альфа-частиц, примерно в 100 раз. Поэтому пробег у них
значительно длиннее, как это видно из нижеследующей
таблицы, в которой приведен пробег бета-частиц в воздухе
при 15° Ц и нормальном давлении, в воде и свинце для раз-
ных скоростей соответственно разным энергиям.
Пробег бета-частиц
Скорость бета-частиц, км{сек Пробег, см
воздух вода свинец
260 000 160 0,19 0,037
298 000 2000 2,6 0,3
Как видим, наиболее быстрые бета-частицы пробегают
в воздухе до 2000 см, то есть до 20 м, в воде — до 2,6 см,
в свинце — до 0,3 см. Таким образом, проникающая способ-
ность у бета-лучей гораздо больше, чем у альфа-лучей.
Бета-частицы, испускаемые каким-либо радиоактивным
веществом, обладают в отличие от альфа-частиц различ-
ными скоростями,. то есть различной энергией — от нуля и
до некоторого максимального значения, вполне определен-
28
Кого для каждого вещества. Например, у радиоактивного
кобальта 60 (то есть кобальта с атомным весом 60) макси-
мальная энергия бета-частиц составляет около 0,3 Мэв,
у стронция 89 равна 1,5 Мэв. Вследствие этого бета-частицы
любого вещества имеют различные пробеги. Поэтому ослаб-
ление пучка бета-частиц при прохождении через вещество
происходит постепенно, как это показывает кривая поглоще-
ния рис. 5. Толщина слоя вещества, в котором пучок бета-
частиц полностью поглощается, как раз равна их макси-
мальному пробегу.
Поток
бета - частиц
Рис. 5. Ослабление потока бета-частиц в веществе
Третья часть радиоактивного излучения — гамма-лучи —
представляет собой электромагнитное излучение, распро-
страняющееся со скоростью света. По своей природе оно
подобно радиоволнам, но имеет очень малую длину волны,
измеряемую ничтожными долями миллиметра; гамма-лучи
близки по своим свойствам к рентгеновским лучам. Рас-
пространение гамма-лучей сопровождается ионизацией ча-
стиц среды, правда, в тысячи раз более слабой, чем при про-
хождении альфа-частиц. Поэтому гамма-лучи обладают наи-
большей из всех видов радиоактивного излучения прони-
кающей способностью.
Относительная проникающая способность альфа-, бета- и
гамма-лучей показана на рис. 6. Радиоактивный источник,
находящийся в свинцовой коробочке, испускает все три
29
Рис. 6. Относительная проникающая способность альфа-, бета- и
гамма-лучей
сорта радиоактивного излучения. Альфа-лучи поглощаются
тонким алюминиевым листком, а бета- и гамма-лучи прохо-
дят через него без заметного ослабления. Во втором листке
алюминия толщиной 3 мм бета-лучи поглощаются пол-
Рис. 7. Ослабление интенсивности гамма-лучей
в веществе
костью, а гамма-лучи проходят, лишь несколько ослаб-
ляясь. Наконец, слой алюминия толщиной 120 см значи-
тельно ослабляет гамма-лучи, хотя целиком их и не погло-
щает.
Ослабление параллельного пучка гамма-лучей при про-
хождении через вещество происходит постепенно по так на-
зываемому экспоненциальному закону, как это показывает
кривая (экспонента) на рис. 7. По вертикальной оси здесь
80
отложена Интенсивность гамма-лучей, то есть количество
лучистой энергии, проходящей в секунду через квадратный
сантиметр площадки, перпендикулярной к лучам; по гори-
зонтальной оси отложена толщина слоя вещества. Интенсив-
ность гамма-лучей, попадающих на поверхность вещества,
принята за единицу. Из рисунка видно, что полностью по-
глотить гамма-лучи может, строго говоря, лишь слой беско-
нечно большой толщины. Слой вещества, при прохождении
которого интенсивность гамма-лучей уменьшается в 2 раза,
называется слоем половинного ослабления. Этим слоем, обо-
значенным на рис. 7 через Xi, , характеризуют обычно по-
глощающие свойства вещества по отношению к гамма-лу-
чам.
Рис. 8. Ослабление гамма-лучей различными материя’
лами в 10 раз
Различные материалы поглощают гамма-лучи по-раз-
ному. На рис. 8 приведено ослабление гамма-лучей средней
энергии в некоторых материалах. Для ослабления таких лу-
чей в 10 раз необходим слой свинца толщиной 5 см, либо
слой бетона в 20—30 см, либо слой земли в 50—60 см.
В воздухе подобное ослабление гамма-лучи испытывают,
пройдя несколько сот метров.
Гамма-лучи распространяются из радиоактивного веще-
ства во всех направлениях, вследствие чего их интенсив-
31
ность сильно уменьшается с расстоянием; при увеличении
расстояния в 2 раза интенсивность уменьшится в 4 раза, при
увеличении расстояния в 5 раз — в 25 раз.
3. Природа радиоактивности
Чем объясняется радиоактивность? Каково происхожде-
ние радиоактивных лучей?
В результате многолетних исследований было установ-
лено, что радиоактивность — ядерный процесс, что испуска-
ние радиоактивных лучей является следствием сложных
превращений, испытываемых ядрами атомов радиоактивных
веществ. Оказалось, что ядра урана, радия, полония и дру-
гих радиоактивных элементов недостаточно прочны и по-
этому сами без всякого внешнего воздействия последова-
тельно превращаются в более простые и устойчивые ядра
атомов других элементов. Подобные самопроизвольные пре-
вращения ядер атомов одних элементов в ядра атомов дру-
гих элементов называются радиоактивным распг1дом.
В куске урана, например, сложные и недостаточно устойчи-
вые ядра его атомов постепенно (то одно, то другое) само-
произвольно превращаются в несколько более прочные ядра
тория, выбрасывая при этом альфа-частицу.
Подобным же образом ядра радия, испуская альфа-ча-
стицу, самопроизвольно превращаются в ядра атомов тяже-
лого инертного газа — радона.
Радиоактивный распад с испусканием альфа-частиц на-
зывают альфа-распадом, а сами вещества, распадающиеся
таким путем, — альфа-активными. Уран, радий, полоний и
другие преимущественно тяжелые элементы являются
альфа-активными веществами.
Распад многих других радиоактивных веществ сопро-
вождается испусканием бета-частиц и называется бета-рас-
падом. Так, например, ядро актиния самопроизвольно пре-
вращается в ядро тория, выбрасывая бета-частицу. Веще-
ства, распадающиеся с испусканием бета-частицы, назы-
ваются бета-активными.
Искусственные радиоактивные вещества обладают
обычно бета-активностью, но среди них встречаются такие
вещества, ядра которых при своем распаде испускают
«антиэлектроны», то есть положительно заряженные элек-
троны, называемые позитронами. Соответственно этому раз-
личают электронный бета-распад, свойственный многим
бета-активным атомам, и позитронный бета-распад, встре-
чающийся у искусственно-радиоактивных атомов.
32
Существуют и такие Вещества, которые обладают одно-
временно и альфа- и бета-активностью.
Что касается гамма-лучей, то испускание их представ-
ляет собой процесс, обычно сопровождающий альфа- и бета-
распад атомных ядер.
Атомные ядра, получающиеся при распаде большинства
радиоактивных веществ, оказываются в свою очередь радио-
активными и распадаются дальше. Этот процесс продол-
жается до тех пор, пока не образуется, наконец, устойчивое
ядро нерадиоактивного элемента. Цепочки радиоактивных
превращений оказались весьма длинными и сложными, но
все же удалось в них разобраться. Установлено, что почти
все естественные радиоактивные элементы образуют всего
четыре радиоактивных ряда или семейства. У каждого се-
мейства имеется свой родоначальник; остальные же эле-
менты — продукты его последовательного радиоактивного
распада, связанные между собой по происхождению. Эти
семейства следующие:
1. Семейство урана — радия, родоначальником которого
является уран с атомным весом 238 (уран 238), одним из
главных представителей — радий и конечным продуктом —
нерадиоактивный свинец с атомным весом 206 (свинец 206).
2. Семейство тория; его родоначальник — торий 232, ко-
нечный стабильный продукт — свинец 208.
3. Семейство урана — актиния; его родоначальник — одна
из разновидностей урана (уран 235), один из представите-
лей-актиний и конечный стабильный продукт — сви-
нец 207.
4. Семейство нептуния, открытое в 1947 г.; его родона-
чальник— плутоний 241, конечный стабильный продукт —
висмут 209.
Семейство урана — радия схематически дано на рис. 9,
где по горизонтальной оси отложен порядковый номер эле-
мента в системе Менделеева (атомный номер), а по верти-
кальной оси — атомный вес.
Цепочка радиоактивных превращений начинается здесь
с урана 238 (92U238) и тянется в направлении, обозначенном
стрелками, к свинцу 206.
Альфа-распад ведет на этой диаграмме к смещению
влево вниз, а бета-распад к смещению по горизонтали
вправо.
Ряд имеет разветвления, обусловленные тем, что одно и
то же вещество может обладать и альфа- и бета-актив-
ностью. Например, атомы RaC (разновидности висмута)
3 В. А. Михайлов 33
способны превращаться либо в RaC' (разновидность поло-
ния) путем бета-распада, либо в RaC/z (разновидность тал-
лия) путем альфа-распада. Затем RaCz претерпевает альфа-
распад, a RaC" — бета-распад. В итоге оба эти распада ве-
дут к возникновению одного и того же вещества RaD, яв-
ляющегося разновидностью свинца.
4. Основной закон радиоактивного распада
Прежде всего следует указать, что атомы радиоактивных
элементов распадаются не одновременно все сразу, а как бы
по очереди: один, потом другой, третий и т. д. Но рано или
34
поздно все радиоактивные атомы распадаются, превращаясь
в более устойчивые атомы.
Процесс этот происходит с определенной для каждого
вещества скоростью, которую невозможно ни увеличить, ни
уменьшить. У каждого радиоактивного вещества распа-
дается в единицу времени вполне определенная часть (доля)
общего числа его атомов.
Число атомов, распадающихся в единицу времени, зави-
сит, разумеется, от начального количества атомов, то есть
от начальной массы радиоактивного вещества. Чем меньше
взято вещества, тем меньше в нем атомов и тем меньше бу-
дет число распадающихся атомов. Так, например, в грамме
радия распадается в течение секунды 37 • 109 (37 млрд.)
атомов. Если же взять г,, то число распадающихся за то
же время атомов уменьшится вдвое. Но доля распадаю-
щихся атомов не изменится и будет для данного радиоак-
тивного вещества постоянной величиной, за что ее и назы-
вают постоянной распада.
Постоянную распада X для радия мы найдем, если
37 * 109 разделим на число атомов, содержащихся в грамме
радия, приблизительно равное 27 • 1020:
1. = -37'10‘ =____________=137 10-“ 1/сек,
27 • 1020 10000000000000 '
Эта малая дробь показывает, что в секунду из каждых
10 триллионов атомов радия распадается всего 137 атомов.
Постоянная распада зависит от устойчивости атомных
ядер и у различных радиоактивных веществ имеет свои раз-
ные значения. Чем больше постоянная распада, тем быстрее
уменьшается первоначальное количество атомов. Время,
в течение которого распадается половина атомов данного
радиоактивного вещества, обозначается Т и называется пе-
риодом полураспада. Этой величиной и характеризуется на
практике скорость радиоактивного распада.
Радиоактивные вещества обладают различными перио-
дами полураспада: от малых долей секунды до многих мил-
лиардов лет.
Период полураспада урана 238 составляет 4,5 млрд, лет,
радия — около 1590 лет, кобальта 60 — 5,2 года, радона —
менее четырех дней. Если взять, например, 1 г радия, то че-
рез 1590 лет его останется полграмма, а вторые полграмма
распадутся, превращаясь в конечном счете в ядра атомов
3*
35
свинца 206. Еще через 1590 лет радия останется четверть
грамма и т. д.
Поскольку количество радиоактивного вещества за один
период полураспада уменьшается до половины, постольку
очевидно, что по истечении, например, пяти периодов коли-
чество вещества уменьшится до — = 0,03, что составит
25
3% начального количества.
Количество атомов, распадающихся за одну секунду, на-
зывается активностью радиоактивного вещества. Чем
больше имеется атомов радиоактивного вещества, то есть
чем больше количество этого вещества, тем больше актив-
ность. Если имеется No радиоактивных атомов и известна
постоянная распада X, то активность а определится произве-
дением
а = ХЛГ0.
Вследствие распада число нераспавшихся атомов радио-
активного вещества непрерывно уменьшается. Соответ-
ственно этому происходит уменьшение активности вещества.
Распад атомов с испусканием альфа- и бета-частиц сопро-
вождается в большинстве случаев гамма-излучением.
Один грамм радия испускает в секунду 37 млрд, альфа-
частиц, так как за это время в нем совершается 37 млрд,
распадов. С уменьшением количества радия уменьшается и
число альфа-частиц, происходит, следовательно, ослабление
радиоактивного излучения, испускаемого веществом. После
пяти периодов активность становится равной 3% перво-
начальной. По истечении десяти периодов активность сни-
жается до —=0,001, что составляет 0,1% первоначальной
величины. Следовательно, по истечении достаточно большого
числа периодов полураспада можно считать, что распад
фактически закончился.
Уменьшение количества радиоактивного вещества, или
его активности, с течением времени можно изобразить гра-
фически с помощью кривой (рис. 10). Здесь для простоты
начальная активность принята за единицу, а время отло-
жено по горизонтальной оси в периодах полураспада.
Обычно при измерении активности пользуются единицей
кюри, установленной по чистому радию.
Активность данного количества радиоактивного веще-
ства равна 1 кюри, если в нем, как и в 1 г радия, происхо-
дит 37 • 109 распадов в 1 секунду.
36
По активности того или другого препарата можно судить
о количестве (точнее массе) радиоактивного вещества, нахо-
дящегося в нем. Единица активности — кюри — служит в то
же время единицей для измерения количества радиоактив-
ного вещества. Под кюри понимают в этом случае такое ко-
личество радиоактивного вещества, в котором происходит
37 млрд, распадов в секунду.
Рис. 10. Уменьшение активности радиоактивного
вещества с течением времени
Активность вещества тем больше, чем меньше период его
полураспада. В атомной физике доказывается, что период по-
лураспада Т и постоянная распада К связаны между собой
простым соотношением
, 0,693
т
Тогда вышеприведенная формула для активности примет
следующий вид:
Чем меньше период полураспада Т, тем больше актив-
ность а. Например, для бета-активной сурьмы 131, образую-
щейся наряду с другими элементами при атомном взрыве,
период полураспада Т = 21,3 минуты — 1278 секунд. По-
этому активность одного грамма этой сурьмы, в котором со-
держится Na = 4,6 • 1021 атомов, будет равна
0,693-4,6 . 1021 1Л1о
а — — -------------=2,5- 1018 атомов в секунду.
1Q7Q J * *
ъч
Таково же будет число бета-частиц, испускаемых в се-
кунду.
Сравнивая это число с числом альфа-частиц, испускае-
мых таким же количеством радия, имеющего большой пе-
риод полураспада (1590 лет), найдем:
2,5- 1018 =
37 . 109
Таким образом, за одно и то же время при одинаковой
первоначальной массе в сурьме распадается атомов в
67 млн. раз больше, чем у радия. Соответственно этому
активность 1 г сурьмы 131 составит 67 млн. кюрщ то есть
будет такой же, как и у 67 т радия.
Из естественно радиоактивных веществ наиболее актив-
ным элементом является полоний, активность одного грамма
которого составляет около 4,4 тыс. кюри.
При радиоактивном распаде из атомных ядер непре-
рывно выделяется энергия, носителем которой являются ра-
диоактивные лучи. Поэтому температура радиоактивных ве-
ществ всегда несколько выше температуры окружающего
воздуха. Как показал еще Пьер Кюри, один грамм радия в
течение часа выделяет около 140 кал (калорий) тепла. Это,
конечно, немного. Таким количеством тепла можно нагреть
100 г воды всего лишь на 1,4 градуса. Однако следует иметь
в виду, что теплота выделяется радием непрерывно в тече-
ние тысяч лет. Поэтому общее количество энергии, которое
освободится за время распада, оказывается большим.
Один грамм радия при полном распаде (превращении в
радон) выделяет около 490 тыс. ккал (килокалорий) энер-
гии, что примерно равно тому количеству энергии, которое
получается при сжигании 70 кг хорошего каменного угля.
Обнаружение того, что радиоактивные вещества непрерывно
выделяют энергию, впервые показало, что внутри атомных
ядер заключены огромные запасы энергии. Поэтому откры-
тие и изучение радиоактивности справедливо считают пер-
вым шагом на пути овладения ядерной энергией.
К сожалению, промышленное использование энергии, вы-
деляющейся при радиоактивном распаде, невозможно в силу
того, что активность любого радиоактивного вещества со
временем падает, вследствие чего средний выход энергии в
единицу времени оказывается ничтожным. Так, например,
среднечасовой выход энергии при распаде одного грамма
радия составляет всего 0,025 калорий.
38
5. Измерение радиоактивных излучений
Радиоактивные излучения обладают биологическим дей-
ствием. Вызываемая ими ионизация в живых тканях оказы-
вает вредное влияние на живой организм и может привести
к заболеванию. Биологическое действие радиоактивных
излучений качественно одинаково с действием рентгеновских
лучей. Однако в количественном отношении действие различ-
ных видов излучения различно. При одинаковом количестве
энергии, поглощенной живой тканью, биологическая эффек-
тивность альфа-частиц в 10—20 раз больше, чем у бета-
частиц и гамма-лучей, обладающих примерно одинаковой
эффективностью воздействия на живой организм.
Но поскольку альфа-лучи сильно поглощаются в самых
тонких слоях вещества и поэтому обладают совершенно не-
значительной проникающей способностью, постольку при
внешнем облучении человека биологическое воздействие
определяется практически бета- и гамма-лучами.
Действие излучения на живой организм зависит прежде
всего от общего количества или дозы поглощенного излуче-
ния. Единицей дозы излучения служит рентген (р), заим-
ствованный из практики рентгеновских лучей.
Рентген — это такое количество рентгеновского, или
гамма-излучения (доза излучения), которое создает в одном
кубическом сантиметре воздуха (при нормальном атмосфер-
ном давлении и температуре 0°Ц) 2,083 млрд, пар ионов,
несущих одну электростатическую единицу заряда каждого
знака. Доза гамма-излучения в 1 р создает около 800 элек-
тростатических единиц заряда в каждом грамме воздуха,
что соответствует поглощению около 83 эргов энергии на
каждый грамм. Примерно столько же энергии при дозе в
1 р получается и в 1 г воды.
Количество альфа- или бета-излучения, эквивалентное по
создаваемой ионизации одному рентгену гамма-лучей, и ко-
торому, следовательно, соответствует поглощение энергии
в 83 эрга на грамм, называется физическим, или практиче-
ским, эквивалентом рентгена. Физический эквивалент рент-
гена служит единицей дозы альфа- и бета-излучения. Таким
образом, в конечном счете единицей дозы радиоактивного
излучения любого вида служит рентген.
Чтобы лучше себе представить рентген как единицу ко-
личества или дозы излучения, приведем несколько приме-
ров.
39
Ручные часы со светящимся циферблатом имеют около
0,3 микрограмма радиоактивного вещества, излучение кото-
рого служит для возбуждения свечения светосостава, покры-
вающего стрелки .и цифры часов. Доза гамма-излучения,
проникающего через заднюю стенку корпуса часов и воздей-
ствующего на кожу руки, составляет около 0,1 р за сутки.
Радиоактивный элемент активностью 1 кюрщ испускаю-
щий гамма-лучи, дает на расстоянии 1 м излучение порядка
1 р в час.
Доза рентгеновского излучения, получаемая человеком
при рентгеноскопии грудной клетки, составляет несколько
рентгенов в минуту.
Действие излучения на живой организм зависит не
только от общего количества поглощенного излучения, но
также и от характера облучения, то есть от того, происходит
ли однократное облучение большой дозой или продолжи-
тельное (хроническое) облучение малыми дозами.
Однократное общее облучение дозой, превышающей
200 р, может вызвать заболевание лучевой болезнью. Воз-
можность заболевания лучевой болезнью возрастает с уве-
личением дозы.
Но та же доза в 200 р не окажет заметного воздействия,
если она будет получена за несколько лет. В этом случае
количество излучения, поглощаемого каждый день, мало и
повреждаемые ткани успевают восстанавливаться.
Радиоактивные излучения не ощущаются непосред-
ственно нашими органами чувств; однако это не помешало
науке разработать многочисленные методы их обнаружения
и измерения. Быстро развивающаяся область измерительной
техники, занимающаяся созданием измерительной аппара-
туры и разработкой методов измерения радиоактивных,
рентгеновских и иных проникающих излучений, называется
дозиметрией. Соответственно этому приборы, используемые
для обнаружения проникающих излучений и измерения их
дозы, получили собирательное название дозиметрических
приборов. В качестве составного элемента дозиметрических
приборов, непосредственно воспринимающего излучение,
наиболее часто применяются ионизационная камера, газо-
вый счетчик и так называемый сцинтилляционный счетчик.
Ионизационная камера. Ионизационная камера пред-
ставляет собой воздушный конденсатор К (рис. 11) с двумя
электродами (пластинами), к которым присоединяется бата-
рея Б. Эта батарея заряжает один из электродов камеры
положительно, а другой — отрицательно.
40
Зарядив камеру, можно отключить батарею; при хоро-
шей изоляции электродов они сохраняют свой заряд доста-
точно длительное время, так как воздух в обычном своем
состоянии не проводит электричество. Если же камера под-
Рис. 11. Принципиальная схема
ионизационней камеры
вергается действию радиоактивного излучения, то в воздухе
между электродами ее возникают ионы. Положительные
ионы движутся к отрицательно заряженному электроду,
а отрицательные — к положительному. При этом электроды
частично разряжаются, вследствие чего
напряжение между ними уменьшается.
По уменьшению напряжения можно
будет судить о количестве излучения,
прошедшего через ионизационную ка-
меру.
Простейшей ионизационной каме-
рой описанного типа является школь-
ный электроскоп с листочком алюми-
ниевой фольги (рис. 12). Одним элек-
тродохм служит корпус прибора, дру-
гим — изолированный от корпуса ме-
таллический стержень с прикреплен-
ным к нему листочком фольги.
Если с помощью эбонитовой палочки, натертой мехом,
или при помощи батареи с достаточно большим напряже-
нием зарядить электроскоп, то листочек фольги отклоняется
от стержня.
При воздействии излучения образующиеся в воздухе
ионы разряжают электроскоп, отклонение листочка фольги
уменьшается. Чем сильнее излучение, тем быстрее спадает
листочек. Можно отградуировать электроскоп таким обра-
зом, что по уменьшению отклонения алюминиевого листочка
за определенное время можно будет определить количество
излучения за это время.
41
Более совершенной является карманная ионизационная
камера, применяемая для индивидуального дозиметриче-
ского контроля, то есть для определения дозы излучения,
получаемой человеком. На рис. 13 показан разрез одной из
возможных конструкций такой камеры, похожей по форме и
размерам на автоматическую ручку. Она состоит из цилин-
дрического бакелитового корпуса /, покрытого изнутри гра-
фитом, внутри которого натянута на изоляторах 2 прово-
Рис. 13. Карманная ионизационная камера
лока 3. Одним электродом является корпус камеры, дру-
гим — проволока. С помощью мембраны 4 камера заря-
жается до определенного напряжения и кладется в карман.
Если данный человек не будет подвергаться действию ра-
диоактивных излучений и если в камере хорошая электриче-
ская изоляция, то напряжение сохранится без изменения.
Если же человек подвергался облучению, то ионы, образую-
щиеся в камере, разрядят ее в большей или меньшей мере,
о чем можно судить по уменьшению напряжения камеры,
измеряемому соответствующим прибором. По разности зна-
чений между измеренным напряжением и его начальной ве-
личиной можно будет определить количество (дозу) излуче-
ния, полученного человеком.
Можно применять ионизационную камеру, не отключая
ее от батареи. В этом случае напряжение между электро-
дами будет оставаться постоянным. В отсутствие радио-
активного излучения воздух, заполняющий камеру, является
непроводником электричества, и поэтому ток в цепи бата-
рея — камера будет отсутствовать При воздействии излуче-
ния воздух ионизируется, то есть становится проводником,
и в цепи появляется ток, называемый ионизационным током.
По силе тока и судят о количестве излучения.
Так как ионизационный ток очень слаб, то для непо-
средственного его измерения требуется слишком чувстви-
тельный прибор. Поэтому этот ток сначала обычно усили-
вается с помощью усилителя, а уж потом подается для
измерения на стрелочный прибор обычного типа.
42
Описанным здесь способом ионизационные камеры
используются в некоторых дозиметрических приборах. Кон-
струкции их могут быть самыми разнообразными. Приме-
няемый усилитель ионизационного тока собирается на элек-
тронных лампах, подобных имеющимся в каждом ламповом
радиоприемнике.
Газовый счетчик. Если радиоактивное излучение слабое,
то вместо ионизационной камеры применяют газовые счет-
чики, позволяющие обнаружить появление отдельной иони-
зирующей частицы.
Простейший счетчик представляет собой стеклянный или
металлический цилиндр Ц, по оси которого на изоляторах
натянута тонкая проволока (рис. 14). Вся эта система на-
полняется обычно инертным газом (отсюда и само назва-
ние «газовый счетчик») при давлении в несколько десятков
миллиметров ртутного столба.
Показанный на рис. 14 стеклянный газовый счетчик
предназначен для измерения гамма-излучений. Внутренняя
поверхность стеклянного цилиндра покрыта тонким слоем
металла, который соединяется с отрицательным полюсом ба-
тареи высокого напряжения Б. Второй электрод (прово-
лока) присоединяется через большое сопротивление R к по-
ложительному полюсу. Напряжение батареи подбирается
так, чтобы оно было немного меньше того напряжения, при
котором в счетчике может произойти электрический про-
бой. При таком напряжении в отсутствие ионизирующих ча-
стиц тока между электродами счетчика не будет. При попа-
дании же в счетчик такой частицы, образующей внутри его
ионы, между электродами возникает разряд, и в цепи про-
текает ток. Напряжение на счетчике при этом уменьшается
вследствие падения напряжения на сопротивлении R, и
вспыхнувший разряд гаснет. Таким образом, каждая попав-
шая в счетчик ионизирующая частица вызывает в нем лишь
43
кратковременный импульс тока, который, протекая по цепи,
создает на сопротивлении /? импульс напряжения. Этот
импульс может быть зафиксирован после надлежащего уси-
ления с помощью обычного микроамперметра или электро-
механического счетчика-нумератора.
Газовый счетчик с усилителем электрических импульсов
и микроамперметром может быть использован в дозиметри-
ческом приборе. Такой прибор может состоять из двух
основных частей — зонда и измерительного пульта, соеди-
ненных между собой гибким кабелем. Для счета импульсов
на слух прибор может снабжаться головными телефонами.
Рис. 15. Спинтарископ
Сцинтилляционный счетчик. Для обнаружения и измере-
ния проникающих излучений может быть использован метод
сцинтилляций, основанный на свойстве частиц радиоактив-
ных лучей вызывать кратковременные точечные вспышки
света в некоторых веществах при попадании в них. Для этой
цели годятся сернистый цинк, иодистый калий, нафталин,
антрацен и другие вещества. Вспышка света, или сцинтил-
ляция, возникает в той точке облучаемого вещества, в кото-
рую попадает частица. Подсчитывая число световых вспы-
шек, можно подсчитать тем самым число частиц, ударяю-
щихся в слой вещества. Это свечение по своей природе по-
добно свечению экрана телевизора, возбуждаемому бомбар-
дирующими его электронами, и называется люминесцент-
ным. На рис. 15 показано устройство простого физического
прибора — спинтарископа, позволяющего видеть световые
вспышки, возбуждаемые отдельными альфа-частицами.
44
Вблизи от экрана, покрытого люминесцирующим веществом
(например, сернистым цинком), укреплена стрелка, на кон-
чике которой находится ничтожное количество соли радия;
каждая альфа-частица, попавшая из радия на кристаллик
сернистого цинка, вызывает вспышку света, хорошо замет-
ную в темноте сквозь лупу.
Обнаружение отдельных ионизирующих частиц по свето-
вым вспышкам — сцинтилляциям, регистрируемым глазом,
используется в ядерной физике давно. Этим методом поль-
зовался Резерфорд, установивший существование в атоме
ядра. Этим методом было установлено, что 1 г радия испу-
скает каждую секунду 37 млрд, альфа-частиц.
В настоящее время метод сциеттилляций, возрожденный
на новой технической основе, используют в так называемых
сцинтилляционных, или люминесцентных, счетчиках. В та-
ком счетчике сцинтилляции, возникающие в люминесцирую-
щем экране или кристалле, регистрируются не глазом,
а весьма чувствительным к свету прибором — фотоэлектрон-
ным умножителем, изобретенным в 1930 г. советским инже-
нером Л. А. Кубецким. Фотоэлектронный умножитель
(кратко фотоумножитель) — это прибор в виде небольшого
цилиндрического баллона из стекла, заключающего в себе
фотоэлемент с фотокатодом и ряд электродов — эмиттеров,
образующих собственно электронный умножитель.
Вспышка света (сцинтилляция) вызывает в фотоэле-
менте слабый импульс электрического тока, который затем
усиливается в умножителе. Для усиления тока пользуются
тем обстоятельством, что каждый электрон, испущенный
фотокатодом, ударяясь о поверхность ближайшего элек-
трода-эмиттера, выбивает из него при соответствующих
условиях до десяти новых (вторичных) электронов. На
эмиттере происходит таким образом «умножение» числа
электронов и соответственно усиление тока. Это умножение
многократно повторяется благодаря тому, что поток элек-
тронов с первого эмиттера направляется на второй эмиттер,
затем на третий, четвертый и т. д. В результате слабый ток,
первоначально вызванный сцинтилляциями в фотоэлементе,
усиливается в несколько миллионов раз. После такого уси-
ления импульсы тока можно уже регистрировать с помощью
микроамперметра или какого-либо другого прибора подобно
тому, как это делается в схемах с газовыми счетчиками.
Простейшая блок-схема сцинтилляционного счетчика приве-
дена на рис. 16.
45
Сцинтилляционные счетчики отличаются весьма высокой
чувствительностью к различным видам проникающего излу-
чения и имеют ряд других достоинств, благодаря которым
они получают в настоящее время широкое применение в до-
зиметрических приборах.
Расскажем коротко о приборах радиационной разведки
и дозиметрического контроля.
Приборами радиационной разведки и дозиметрического
контроля являются индикаторы радиоактивности, рентгено-
метры, радиометры и собственно дозиметры.
Фотоумножитель
Рис. 16. Простейшая блок-схема сцинтил-
ляционного счетчика
Индикатор радиоактивности предназначен для обнару-
жения радиоактивного заражения местности. Основными ча-
стями индикатора обычно являются: генератор переменного
тока с ручным приводом, две неоновые лампы (лампа ста-
билизатора напряжения — красная и индикаторная лампа—
белая) и газовый счетчик.
Для включения такого индикатора достаточно привести
в действие генератор переменного тока путем периодических
нажатий на рычаг. Частота нажатия на рычаг выбирается
такой, чтобы получить непрерывное свечение лампы стаби-
лизатора напряжения. Если при работе прибора индикатор-
ная лампа не дала ни одной вспышки, значит, местность не
заражена радиоактивными веществами.
Появление отдельных вспышек индикаторной лампы сви-
детельствует о наличии заражения с уровнем радиации
0,01—0,5 р в час. Чем больше уровень радиации, тем чаще
вспыхивает индикаторная лампа. При уровнях радиации
свыше, например, 0,5 р в час она светится непрерывно.
Рентгенометр предназначен для измерения уровней ра-
диации в зараженных районах. Основные части рентгено-
метра: ионизационная камера, усилитель постоянного тока,
электроизмерительный прибор (микроамперметр) и источ-
ники питания. Принцип действия рентгенометра заключается
46
в следующем. При воздействии бета- и гамма-излучейия на
ионизационную камеру в цепи камеры возникает ионизаци-
онный ток, который затем усиливается и измеряется микро-
амперметром.
Показания микроамперметра пропорциональны величине
тока, возникающего в ионизационной камере, а следова-
тельно, пропорциональны уровням радиации. Некоторые
образцы рентгенометров позволяют измерять уровни радиа-
ции от 0,2 до 400 р в час.
Радиометр служит для определения степени радиоактив-
ного заражения поверхностей различных объектов, продо-
вольствия, воды, а также обмундирования и кожных покро-
вов людей после выхода их из зараженного района.
Кроме того, радиометр может быть использован для
измерения небольших уровней гамма-излучения.
Зараженность различных предметов измеряют количе-
ством распадов радиоактивных веществ на 1 см2 поверхно-
сти предмета в 1 минуту. Некоторые образцы радиометров
позволяют измерять зараженность предметов до
1 000 000 распадов на 1 см2 в 1 минуту.
Радиометр применяется главным образом для контроля
зараженности людей, оружия, техники и имущества на
пунктах специальной обработки. При помощи его можно
измерять также небольшие уровни гамма-излучения (до
0,02 р в час), что позволяет использовать радиометр для
ведения радиационной разведки местности, например, с са-
молета.
Основные части радиометра: газовый счетчик, усили-
тель электрических импульсов, преобразователь импульсов,
электроизмерительный прибор и источники питания.
Принцип действия радиометра заключается в следую-
щем. При воздействии на счетчик бета-частиц и гамма-лучей
в цепи счетчика возникают электрические импульсы, кото-
рые после предварительного усиления подаются на специ-
альный элемент схемы (преобразователь импульсов), где
они преобразуются в постоянный ток. Величина этого тока,
пропорциональная количеству бета-частиц и гамма-лучей,
воздействующих на счетчик, измеряется микроамперметром.
Конструктивно многие образцы радиометров выполнены
в виде двух узлов — зонда и пульта, соединенных между
собой гибким кабелем. Для ведения слухового контроля ра-
диометр снабжается головными телефонами.
Во время измерений пульт радиометра находится на
груди, а зонд в руке. Для обследования зараженной поверх-
47
йости зонд радиометра подносят к ней на расстояние 1—2 см
и слушают сигналы в телефонах. Непрерывный треск в те-
лефонах означает, что поверхность предмета заражена. Сте-
пень заражения предмета определяется по шкале прибора.
Дозиметр предназначен для измерения суммарной дозы
облучения, полученной человеком за время пребывания
на зараженной местности. Действие дозиметра основано
на измерении уменьшения первоначального напряжения
(заряда) камеры под воздействием радиоактивных излу-
чений.
Для контроля облучения личного состава подразделения
используется обычно так называемый дозиметрический
комплект. В некоторых образцах он состоит из 200 индиви-
дуальных ионизационных камер, аналогичных по конструк-
ции карманной ионизационной камере, описанной выше, и
зарядно-измерительного пульта. Камеры имеют небольшие
размеры и помещаются в кармане гимнастерки.
Камеры позволяют измерять дозы от нуля до 50 р.
— О —
III. СТРОЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА
1. Состав атомного ядра
Явление радиоактивности, с которым мы познакомились
в предыдущей главе, впервые ясно показало, что ядра
атомов имеют сложное строение и что в природе происхо-
дят превращения ядер одних химических элементов в ядра
других элементов.
Явление радиоактивности интересно также и в другом
отношении. Альфа-частицы, испускаемые ядрами атомов
некоторых радиоактивных элементов, движутся с огромной
скоростью, достигающей 20—25 тыс. км в секунду, и обла-
дают в силу этого большой кинетической энергией. Поэтому
естественно возникла мысль: используя альфа-частицы ра-
диоактивных веществ в качестве «снарядов» и обстреливая
ими атомы, проникнуть внутрь атомных ядер и разрушить
их. Такую попытку предпринял Резерфорд, подвергнувший
обстрелу альфа-частицами атомы азота. Это была «непри-
цельная стрельба» вслепую. Попасть в этих условиях в неви-
димое ядро атома азота — это все равно, что, стреляя из
орудия, поразить невидимую мишень, расположенную где-то
на площади в 1 км2. Продолжая методически обстрел в те-
чение длительного времени, Резерфорду удалось в 1919 г.
впервые в истории физики искусственно расщепить ядро.
Оказалось, что ядро азота при попадании в него альфа-ча-
стицы превращается в ядра кислорода и водорода.
Обстреливая альфа-частицами атомы нерадиоактивных
элементов, супруги Фредерик и Ирен Жолио-Кюри открыли
в 1934 г. искусственную радиоактивность. Жолио-Кюри уста-
новили, что в результате проникновения альфа-частиц в
4 В. А. Михайлов 49
ядра алюминия, бора, магния и других веществ образуются
радиоактивные ядра, отсутствующие в природе.
«Ядерная» артиллерия сыграла решающую роль в изуче-
нии состава атомного ядра.
Обстреливая атомы различных элементов быстрыми ча-
стицами, удалось установить, что в ядрах всех атомов
имеются протоны, то есть ядра атомов водорода с массой,
приблизительно равной атомной единице, и с единичным по-
ложительным зарядом. Точнее, масса протона по современ-
ным данным равна 1,00759 а.е.м.
Первоначально предполагалось, что, помимо протонов, в
состав ядра входят еще и электроны и что ядра всех атомов
построены из протонов и электронов. Однако позже выясни-
лось, что такое предположение неправильно и противоречит
ряду опытных фактов. Современное учение о строении атом-
ного ядра зародилось в 1932 г. Непосредственным толчком
к его возникновению послужило открытие в 1932 г. англий-
ским физиком Чадвиком новой, неизвестной до того времени
«элементарной» частицы — нейтрона.
Нейтрон — нейтральная, то есть не имеющая электриче-
ского заряда, частица с массой, равной приблизительно
массе протона. Точное значение массы нейтрона равно
1,00898 а.е.м., что превосходит массу протона на 2,5 массы
электрона.
Благодаря отсутствию электрического заряда нейтрон не
производит ионизации атомов, мимо которых он пролетает,
и поэтому может свободно проникать через толстые слои ве-
щества. Не имея заряда и не испытывая вследствие этого
действия сил электрического отталкивания со стороны поло-
жительно заряженных ядер, нейтрон способен проникать в
глубь самых тяжелых ядер и поэтому является наилучшей
частицей для их обстрела и последующего расщепления.
В том же 1932 г., когда был открыт нейтрон, советский
физик Д. Д. Иваненко первым выдвинул идею о том, что
ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов. Протон-
но-нейтронная теория строения ядра, развитая в работах со-
ветских и зарубежных физиков, является в настоящее время
общепризнанной.
Число протонов в ядре атома какого-либо химического
элемента равно числу «элементарных» зарядов ядра, то есть
порядковому номеру этого элемента Z в периодической си-
стеме Менделеева (атомному номеру).
Общее же число протонов и нейтронов в ядре атома рав-
няется его атомному весу А, округленному до целых единиц,
50
Ю есть массовому числу. Отсюда нетрудно сообразить, что
разность между массовым числом атома А и его атомным
номером Z дает число нейтронов в ядре N = А — Z. Про-
тоны и нейтроны, составляющие ядро, обычно называют
нуклонами.
Самое простое ядро — ядро атома легкого водорода
(протия) — состоит из одного протона. Все остальные ядра,
помимо протонов, имеют и нейтроны. В ядре атома гелия,
массовое число которого равно 4, имеется два протона и два
нейтрона. В ядре наиболее распространенных атомов кисло-
рода содержится 8 протонов и 8 нейтронов (массовое
число 16).
В ядрах легких элементов число протонов обычно равно
числу нейтронов. Ядра средних и тяжелых элементов имеют
избыток нейтронов. Наиболее тяжелое из существующих в
природе ядер — ядро урана с массовым числом 238 содер-
жит 92 протона и 146 нейтронов. Состав атомных ядер неко-
торых элементов показан схематически, без соблюдения мас-
штаба, на рис. 17.
Водород
ГЛ 7
( ф Протон и @ Нейтрон )
Рис. 17. Состав некоторых атомных ядер
Ядра атомов различных химических элементов обозна-
чаются значками, присвоенными этим элементам в химии.
Справа сверху от этого знака ставится общее число нукло-
нов в ядре, то есть массовое число, а снизу слева — число
протонов, то есть атомный номер. Соответственно этому ядро
обычного водорода обозначается 1Н1, гелия — гНе4, кисло-
рода — 8О16, урана эгП238 и т. д.
Число протонов в ядре атома какого-либо элемента пол-
ностью определяет химические свойства этого элемента, его
химическую принадлежность. До тех пор пока число прото-
нов в ядре остается неизменным, атом данного химического
элемента остается атомом этого элемента. При нормальном
состоянии атома число электронов в его оболочке, окружаю-
4* 51
щей ядро, равно числу протонов в ядре. Ионизация атома,
то есть удаление из его оболочки одного или нескольких
электронов, не затрагивает ядра: ядро остается при этом не-
изменным.
Нейтрон может превратиться в протон и наоборот. По-
добные превращения бывают в распадающихся ядрах ра-
диоактивных элементов, испускающих бета-частицы.
Превращение одного из нейтронов ядра в протон сопро-
вождается рождением электрона и маленькой нейтральной
частички — нейтрино, которые тотчас же и выбрасываются
из ядра с огромной скоростью. Этот новорожденный элек-
трон и представляет собой известную нам бета-частицу.
Образование бета-частицы и нейтрино происходит за счет
той избыточной массы, которой обладает нейтрон по сравне-
нию с протоном. Превращение нейтрона в протон наблю-
дается в тех ядрах, которые имеют избыток нейтронов, то
есть имеют их больше, чем это требуется для устойчивого
существования ядра. Подобное же самопроизвольное пре-
вращение испытывает и свободный нейтрон, находящийся
вне ядра.
Превращение свободного протона в нейтрон обычно в
природе не наблюдается, поскольку масса протона меньше
массы нейтрона, и не обеспечивает такого превращения. Но,
находясь внутри ядра, протон может превратиться в ней-
трон. Такое превращение наблюдается в ядрах некоторых
искусственно радиоактивных веществ, получаемых путем
бомбардировки разных нерадиоактивных материалов быст-
рыми частицами. В ядрах атомов этих веществ слишком
мало нейтронов, а протонов имеется в избытке. В этом слу-
чае один из протонов ядра, получивший добавочную массу и
энергию за счет бомбардирующих частиц, может превра-
титься в нейтрон, испуская положительный электрон (пози-
трон) и нейтрино.
Возможен и второй путь превращения протона в нейтрон.
Протон может захватить один из электронов атома, вра-
щающихся вокруг ядра, и стать в результате этого нейтро-
ном. Чаще всего происходит захват электрона из ближай-
шего к ядру слоя К электронной оболочки. Вследствие этого
такой процесс получил название /(-захвата. Представление
о том, что электроны и протоны рождаются в ядре в резуль-
тате превращения протонов и нейтронов друг в друга, было
выдвинуто и обосновано Д. Д. Иваненко.
52
2. Атомы-изотопы
Ядра атомов какого-либо элемента при строго опреде-
ленном числе протонов, равном атомному номеру элемента,
могут иметь различное число нейтронов и, следовательно,
различный вес. Атомы данного элемента, имеющие разный
вес вследствие различия в числе нейтронов, называются изо-
топами этого элемента. Само слово «изотоп» происходит от
греческого: «изос» — равный и «топос» — место. Следова-
тельно, буквально изотопы — это атомы, занимающие в пе-
риодической системе Менделеева одинаковое место.
Рис. 18. Строение атомов изотопов водорода
В настоящее время известны изотопы у всех химических
элементов. Многие элементы имеют по нескольку изотопов.
Так, например, у водорода известны три изотопа. Обыч-
ный легкий водород — протий — 1Н1, ядра его — протоны.
В 1932 г. был обнаружен второй изотоп водорода — тяже-
лый водород (дейтерий — 1D2), который присутствует в при-
родном водороде в количестве около 0,02%. Ядро тяжелого
водорода, называемое дейтероном, имеет один протон и один
нейтрон. Вода, молекулы которой построены по известной
формуле химии из атомов тяжелого водорода и обычного
кислорода, называется тяжелой водой. Тяжелая вода при-
сутствует в природной воде в малом количестве. По своим
физическим свойствам она несколько отлична от обыкновен-
ной воды: замерзает тяжелая вода при -4-3,8° Ц, кипит при
4-101,4°.
Третий изотоп водорода — сверхтяжелый водород, или
тритий (1Т3). Ядра его — тритоны — построены из одного
протона и двух нейтронов. Тритоны радиоактивны и распа-
даются, испуская бета-частицу (электрон). Строение атомов
изотопов водорода показано на рис. 18.
53
Большое значение в ядерной физике имеют изотопы
урана, различающиеся тремя нейтронами: уран 235, в яд-
рах которого по 92 протона и 143 нейтрона, и уран 238, в
ядрах которого по- 92 протона и 146 нейтронов. Физические
свойства этих изотопов урана несколько различны в силу
различия в числе нейтронов.
Большинство известных в настоящее время изотопов по-
лучается искусственным путем по методу «ядерной» артил-
лерии.
3. «Капельная» модель ядра
Все протоны и нейтроны в атомном ядре удерживаются
друг около друга особыми ядерными силами притяжения.
Эти силы имеют сложную природу, которая к настоящему
времени изучена еще недостаточно. Ясно только, что ядер-
ные силы не похожи на силы всемирного тяготения и на
электрические силы и уменьшаются с увеличением расстоя-
ния между взаимодействующими нуклонами значительно
быстрее и тех и других. Ядерные силы действуют лишь в са-
мом ядре, имея там огромную величину, и в непосредствен-
ной близости от него. С увеличением расстояния между ча-
стицами ядра (нуклонами) ядерные силы настолько быстро
уменьшаются до нуля, что радиус их действия не превосхо-
дит 7 • 10“13 см.
В этом отношении ядерные силы напоминают собой силы
молекулярного сцепления в капле жидкости, которые удер-
живают молекулы жидкости друг около друга и стремятся
придать капле сферическую форму как наиболее устойчи-
вую.
Учитывая характер изменения ядерных сил с расстоя-
нием и ряд других фактов, относящихся к ядру, Я. И. Френ-
кель в СССР и Дж. Уилер за рубежом предложили «капель-
ную» модель ядра. Согласно этой модели 'атомное ядро по-
добно положительно заряженной капле жидкости очень
большой плотности и построено из нуклонов (протонов и
нейтронов) наподобие того, как капля жидкости построена
из молекул.
В капле жидкости действуют силы молекулярного сцеп-
ления, придающие капле сферическую форму. Помимо этого,
в заряженной капле между одноименно заряженными ча-
стицами действуют силы электрического отталкивания,
стремящиеся разорвать каплю. Подобно этому и внутри
атомного ядра действуют силы двоякого рода: помимо ядер-
ных сил притяжения, связывающих йсе нуклоны воедино,
54
там действуют еще электрические силы отталкивания между
положительно заряженными протонами. Ядерные силы
внешне подобны силам молекулярного сцепления в жидко-
сти и придают ядру сферическую форму как наиболее устой-
чивую.
Атомные ядра отличаются обычно большой прочностью
(устойчивостью), так как ядерные силы притяжения в де-
сятки миллионов раз больше электрических сил отталкива-
ния, действующих в ядре между протонами.
Капельная модель позволяет рассматривать процесс ис-
кусственного расщепления атомных ядер быстрыми части-
цами — «снарядами» — следующим образом. Кинетическая
энергия частицы, попавшей в ядро, перераспределяется
между всеми нуклонами ядра благодаря тесному взаимо-
действию между ними. Ядро приходит от этого в возбужден-
ное состояние, что аналогично нагреванию капли жидкости.
Поэтому можно, как впервые показал советский физик
Л. Д. Ландау, условно говорить о «температуре» ядра и ее
повышении за счет энергии попавшего в ядро «снаряда».
В результате этого частица или группа частиц возбужден-
ного ядра, составляющих новое ядро, может вылететь за его
пределы подобно тому, как вылетают молекулы жидкости
при ее испарении.
В свете сказанного процесс расщепления ядра атома
азота альфа-частицей, осуществленный Резерфордом, можно
рассматривать следующим образом. При удачном попада-
нии быстрая альфа-частица проникает внутрь ядра атома
азота и захватывается им. В результате получается состав-
ное или промежуточное ядро в сильно возбужденном («на-
гретом») состоянии. В последующее время это возбужден-
55
ное ядро, выбрасывая («испаряя») протон (ядро водорода),
превращается в ядро кислорода с атомным весом 17. Схе-
матически этот процесс показан на рис. 19.
Для объяснения некоторых свойств атомных ядер поль-
зуются также так называемой «оболочечной» моделью ядра.
Согласно этой модели протоны и нейтроны движутся внутри
ядра вокруг некоторой средней точки, образуя слои (обо-
лочки), подобно тому как электроны в атоме движутся во-
круг ядра, располагаясь слоями.
— о-
IV. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ
1. Закон сохранения материи и ее движения
Ядро — самая тяжелая часть атома и заключает в себе
почти всю его массу. На долю легких электронов прихо-
дится менее 0,05% всей массы атома.
Соответственно этому распределяется в атоме и энергия.
Почти вся энергия, скрытая в атоме, заключена (сосредото-
чена) внутри его ядра; на долю электронной оболочки при-
ходится менее 0,05% всей энергии атома. Такое заключение
о распределении энергии в атоме вытекает из закона
взаимосвязи массы и энергии и подтверждается практикой.
Как известно, энергия и масса являются свойствами ма-
терии. Масса — физическая величина, характеризующая
инерцию материи, то есть свойство ее сохранять состояние
своего движения при отсутствии внешних воздействий. Энер-
гия — это мера физического движения материи во всех ее
формах. К такому пониманию энергии наука пришла не
сразу.
Еще около 200 лет назад М. В. Ломоносов сформулиро-
вал закон сохранения материи и ее движения (закон Ломо-
носова), согласно которому «все перемены, в натуре (при-
роде. — В. М.) случающиеся, такого суть состояния, что
сколько чего от одного тела отнимется, столько присовоку-
пится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи,
то умножится в другом месте... Сей всеобщий естественной
закон простирается и в самые правила движения: ибо тело,
движущее своей силой другое, столько же оныя у себя те-
ряет, сколько сообщает другому, которое от него движение
получает».
57
Этими словами Ломоносов утверждал неуничтожимость
материи и ее движения. Одним из частных проявлений все-
общего закона Ломоносова был экспериментально установ-
ленный им самим закон сохранения вещества (массы). Зна-
чительно позже, лишь в XIX веке, в связи с развитием про-
изводства, складывается в науке понятие об энергии. Широ-
кое использование в промышленности тепловой энергии и
начавшееся овладение электрической энергией привело не-
мецких физиков Р. Майера и Г. Гельмгольца и английского
физика П. Джоуля к открытию в середине XIX века закона
сохранения и превращения энергии. Согласно этому закону
энергия в вечном круговороте материи не исчезает и не со-
здается вновь, а лишь превращается из одной формы в дру-
гую. Этот закон подтвердил гениальное предвидение Ломо-
носова о переходе одних видов движения в другие и явился
дальнейшим развитием и конкретизацией его закона.
С помощью понятия энергии физика выражает неуничто-
жимость движения материи, его способность к бесконечным
превращениям из одной формы в другую.
Открытие в дальнейшем закона сохранения электриче-
ского заряда и, наконец, закона взаимосвязи массы и энер-
гии еще полнее раскрыло глубочайшее содержание всеоб-
щего закона природы, усмотренного Ломоносовым.
Современная физика научно доказала, что. в природе нет
нематериального движения, то есть движения без материи,
как нет и не может быть материи без движения. Материя и
движение неразрывно связаны между собой, неотделимы
друг от друга. Отражением Этой объективно существующей
связи материи и ее движения является закон взаимосвязи
массы и энергии, указанный в 1905 г. выдающимся немец-
ким физиком А. Эйнштейном.
Если массу любого материального объекта в граммах
обозначить через т, а его полную энергию в эргах — че-
рез Е, то этот закон выразится формулой
Е = тс2, (2)
где с — скорость света в пустоте, составляющая 30 миллиар-
дов сантиметров в секунду (3 • 1010 см/сек).
Пользуясь этой формулой, можно подсчитать, какая
энергия заключена в кусочке вещества, обладающем мас-
сой, например в 1 г:
Е = тс2—\ • (3 • 1010)2 = 9 • 1020 эргов,
что составляет около 21 млрд, ккал. Такое количество
энергии могло бы обеспечить работу' установки мощностью
58
в 1 тыс. л. с. в течение 4 лет. Как видим, с очень небольшой
массой связана огромная скрытая в материи энергия.
По отношению к свету, являющемуся одной из форм ма-
терии, с несомненностью установлено, что именно соотноше-
нием (2) связаны между собой энергия и масса света. Су-
ществование такой связи вытекает из классических опытов
П. Н. Лебедева по световому давлению. Опыты Лебедева
показывают, что материальные частицы света — фотоны,
падая на поверхность освещаемого тела, производят на него
давление точно так же, как и молекулы газа, бомбардирую-
щие стенки сосуда. Полная энергия фотона в соответствии
с формулой (2) равна его массе, умноженной на квадрат
скорости света.
По отношению к обычной материи, то есть к веществу,
пока установлено, что всякое изменение энергии тела на
Е эргов сопровождается одновременным изменением массы
на т граммов по формуле (2). Если, например, изменение
энергии тела происходит путем передачи ее другому телу, то
одновременно с этим совершается передача второму телу и
соответствующей массы. По уменьшению массы первого
тела, пользуясь формулой (2), можно определить количе-
ство переданной энергии. При этом, как это видно из при-
веденного выше расчета, малым изменениям массы соответ-
ствуют огромные изменения энергии.
Закон взаимосвязи массы и энергии составляет основу
энергетических расчетов современной ядерной физики.
2. Что такое ядерная энергия
Часть энергии, заключенной в электронной оболочке
атомов, выделяется при излучении атомами света и осо-
бенно в химических реакциях. Химические реакции, проис-
ходящие при горении топлива и взрыве обычных взрывчатых
веществ, являются пока основным источником энергии для
человечества.
Трудами многих ученых, среди которых выдающуюся
роль сыграли работы А. М. Бутлерова, было установлено,
что в химических реакциях молекулы одних сложных ве-
ществ превращаются в молекулы других веществ. При
этом изменяются (перестраиваются) лишь электронные обо-
лочки атомов, а ядра остаются неизменными.
Химические реакции могут происходить как с выделением
энергии и соответствующей массы, так и с их поглощением.
Энергия, которая выделяется в химических реакциях, назы-
вается химической.
59
В химической реакции взрыва 1 кг тротила (тола) вы-
деляется немногим больше тысячи килокалорий химической
энергии, превращающейся при взрыве в другие формы энер-
гии. Из 1 кг хорошего каменного угля, сжигая его, мы мо-
жем получить в виде тепла до 7000 ккал энергии. Кило-
грамм нефти дает до 11 000 ккал.
Значительно большие количества энергии могут быть по-
лучены из атомных ядер, поскольку запасы энергии в них
превосходят во много раз энергию электронных оболочек.
Для освобождения химической энергии дерева, угля,
нефти людям пришлось в свое время научиться зажигать их,
то есть вызывать в них химические реакции, в которых изме-
няются электронные оболочки атомов. Для использования
энергии атомных ядер нужно научиться осуществлять ядер-
ные реакции, в которых изменялись бы сами ядра.
Ядерные реакции — это процессы превращения атом-
ных ядер, в которых происходит изменение (перестройка)
самих ядер: протоны и нейтроны перегруппировываются
в более сложные ядра, либо, наоборот, сложные ядра рас-
падаются на более простые. При ядерных превращениях
происходит либо выделение энергии и массы, либо их по-
глощение. Энергию, которая выделяется в ядерных реак-
циях, принято называть атомной, или ядерной.
Количество ядерной энергии, выделяющейся на каждый
грамм вещества в используемых в настоящее время реак-
циях, превышает в миллионы раз химическую энергию, осво-
бождающуюся при сжигании одного грамма лучшего топ-
лива.
Впервые с ядерными реакциями человечество познакоми-
лось около 50 лет назад при изучении радиоактивности.
Распад ядер радиоактивных атомов представляет собой при-
мер естественной самопроизвольно протекающей ядерной
реакции с выделением части энергии, заключенной в ядрах.
Поэтому открытие и изучение радиоактивности справедливо
считают первым шагом на пути овладения ядерной энергией.
Вторым важным этапом было осуществление, начиная
с 1919 г., многочисленных искусственных ядерных реакций.
Изучение реакций, происходящих при бомбардировке ней-
тронами тяжелых элементов, привело к открытию в 1939 г.
ядерных процессов, лежащих в основе современных методов
получения ядерной энергии.
Для получения ядерной энергии пришлось научиться
управлять ядерными реакциями, то есть научиться искус-
ственно вызывать их, регулировать скорость в необходи-
60
мом для нас направлении и, наконец, прекращать (останав-
ливать) их в нужный момент времени.
Остановимся на основных путях получения ядерной энер-
гии.
3. Возможные пути получения ядерной энергии
Так как между протонами и нейтронами, составляющими
ядро, действуют ядерные силы притяжения, то нетрудно по-
нять, что при расщеплении ядра на составляющие его ну-
клоны нужно совершить работу против ядерных сил и, сле-
довательно, затратить некоторую энергию. В обратном про-
цессе при образовании ядра из нуклонов такая же энергия
выделяется.
Известно, что при поднимании тела над землей прихо-
дится совершать работу против силы тяготения и, следова-
тельно, затрачивать энергию. При падении тела на землю
эта энергия превращается в кинетическую и выделяется в
виде, например, тепла при ударе тела о землю.
Есть некоторое сходство между этим примером и значи-
тельно более сложным явлением образования ядра. Подобно
тому, как при падении тела на землю происходит выделение
энергии, то есть превращение ее из одной формы в другую,
так и при образовании ядра из свободных протонов и ней-
тронов (так сказать при падении их друг на друга) также
происходит выделение энергии, то есть превращение части
атомной энергии в другие виды.
Энергию, которая выделяется при соединении протонов и
нейтронов в ядро, называют обычно энергией связи, или
энергией образования ядра. Энергию связи атомных ядер
всех химических элементов можно вычислить, пользуясь за-
коном взаимосвязи массы и энергии.
Рассчитаем для примера величину энергии связи ядра
гелия. Масса протона равна 1,008 а.е.м., а масса нейтрона —
1,009 а.е.м. Суммарная масса двух протонов и двух нейтро-
нов, необходимых для образования ядра гелия, следова-
тельно, равна 4,034 а.е.м. С другой стороны, измерение
массы «построенного» ядра гелия, существующего в при-
роде, показывает, что величина ее меньше и равна
4,003 а.е.м. Налицо «дефект» (убыль) массы, равный
т — 4,034 — 4,003 = 0,031 а.е.м. Следовательно, при обра-
зовании ядра гелия выделяется и передается окружающей
среде масса, равная 0,031 а.е.м. По выделившейся массе и
определяется выделившаяся энергия. Так как 1 а.е.м. равна
61
1,66 • 10-24 г, то, умножая 0,031 на 1,66 • К)-24, а затем на
9 • 1020, согласно формуле (2) найдем
£ = тс1 2 = 0,031 • 1,66 • 10~24 • 9 • 10"° = 44,09 • 10-6 эрга.
Умножая эту величину на число атомов, содержащихся в
грамме гелия 1, можно определить удельную энер!ию связи,
то есть энергию, выделяющуюся при образовании одного
грамма данного вещества.
Расчет показывает, что для гелия удельная энергия связи
составляет около 165 млн. ккал на 1 г.
0
Атомный вес
120
160
200
240
20
'Д2 (дейперии)
60
Т3 4 (тритий)
з:
§
100
Энврзия1
связи зелия
со
140
180
(лип йй) I. "
Средняя энергия
связи „дсколков’’
| деления
Не4(гелий)
Энергия
связи урана
. Те (железо)^ (никель)
220*---1----'------1—-I----
|и235
(уран)
выделяемая
Энергия,
при делении урана
Q
5
4
0
Рис. 20. Энергия связи атомных ядер
Аналогичным образом по уменьшению массы соединяю-
щихся в ядро протонов и нейтронов можно рассчитать удель-
ную энергию связи каждого химического элемента. По-
строенная по таким данным кривая зависимости удельной
энергии связи от атомного веса приведена на рис 20.
Чем ниже на этой кривой лежит точка, соответствующая
тому или другому элементу, тем больше энергия связи. Из
1 Число атомов в 1 а любого элемента равно числу Авогадро
6,02 • 1023, деленному на атомный вес этого элемента. Для гелия,
атомный вес которого равен 4, это число составляет
Off • l(g , 1Q23 атомов на один грамм.
4
62
рисунка видно, что самая большая энергия связи у железа
и никеля. Это значит, что при образовании ядер атомов
этих элементов выделяется наибольшая энергия. Ядра ато-
мов, расположенных в начале и в конце периодической таб-
лицы, образуются с меньшим выделением энергии.
Кривая энергии связи дает наглядное представление об
относительной прочности (устойчивости) атомных ядер. Чем
прочнее ядро, тем больше надо затратить энергии на работу
против ядерных сил притяжения при расщеплении ядра на
составляющие его протоны и нейтроны. Необходимая для
этого энергия равна как раз энергии связи ядра. Поэтому
чем больше энергия связи ядра, тем прочнее (устойчивее),
вообще говоря, данное ядро.
Наибольшей относительной прочностью, или устойчи-
востью, обладают ядра атомов железа и никеля.
Для освобождения ядерной энергии совсем не обяза-
тельно осуществлять синтез ядер из протонов и нейтронов.
Выделения энергии можно достичь, осуществляя такие
ядерные реакции, в которых ядра атомов некоторого эле-
мента превращаются в ядра какого-либо другого элемента,
обладающие большей устойчивостью и имеющие соответ-
ственно большую энергию связи.
Поясним сказанное примером. Из кривой рис. 20 видно,
что удельная энергия связи урана с атомным весом 235
составляет около 173 млн. ккал. С другой стороны, удель-
ная энергия связи для элементов среднего веса (олово и др.)
составляет приблизительно 194 млн. ккал. Если же осуще-
ствлять ядерную реакцию, в которой ядра олова и сосед-
них с ним элементов будут образовываться не из протонов и
нейтронов, а путем деления более тяжелых ядер урана, то
при этом будет выделяться около 21 млн. ккал на каждый
грамм вещества. Выделяющаяся энергия равна разности
энергий связи конечных и исходных элементов. Обратная
реакция, то есть соединение ядер среднего веса в ядра
урана, потребует затраты такого же количества энергии и
поэтому не годится для получения ее.
Использование реакций, в которых тяжелые ядра рас-
падаются на менее тяжелые ядра среднего веса, представ-
ляет первый возможный путь выделения атомной энергии.
Чем тяжелее исходные ядра, тем больше энергии будет
получаться.
Второй путь заключается в использовании реакций
соединения очень легких ядер в более тяжелые ядра. Чем
63
легче соединяющиеся ядра, тем больше энергии может быть
получено при таких реакциях.
Рассмотрим, например, возможную реакцию слияния
ядер дейтерия и трития, в результате которой получаются
ядро гелия и один свободный нейтрон. Соответственно
тому, что атомный вес дейтерия равен двум, а трития —
трем, в этой реакции из 2 г дейтерия и 3 г трития образуется
4 г гелия и 1 г нейтронов. При этом выделяется около
100 млн. ккал энергии на каждый грамм гелия. Действи-
тельно, удельная энергия связи, как это видно из кривой
рис. 20, для дейтерия равна 25, а для трития — 64 млн. ккал.
Следовательно, энергия, выделяющаяся при образовании
2 г дейтерия и 3 г трития, составит 25 • 2 4~ 64 • 3 =
==242 млн. ккал. Удельная энергия связи для гелия равна,
как известно, 165 млн. ккал. Следовательно, при образова-
нии 4 г гелия из протонов и нейтронов выделится 165-4 =
= 660 млн. ккал. В случае же образования гелия из дейте-
рия и трития выделится 660 — 242 = 418 млн. ккал, что и
дает около 100 млн. ккал на каждый грамм гелия.
* * *
Указанные выше основные пути получения энергии
атомных ядер ныне практически реализуются: первый —
в реакции деления тяжелых ядер урана или плутония,
второй — в термоядерной реакции с водородом.
~ о =
V. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
1. На пути овладения ядерными реакциями
Как известно из вышеизложенного, ядерными реакциями
называются превращения атомных ядер одного химиче-
ского элемента в ядра какого-либо другого элемента.
От открытия ядерных реакций, самопроизвольно про-
текающих при радиоактивном распаде некоторых элементов
в природе, до практического осуществления ядерных реак-
ций с целью получения ядерной энергии наука прошла
почти полувековой путь.
Важным этапом здесь было изучение искусственных
ядерных реакций, производимых по методу «ядерной» артил-
лерии. Обстреливая атомы различных элементов быстрыми
частицами (альфа-частицами, протонами, дейтеронами
и т. п.), ученым удалось осуществить в лабораторных усло-
виях тысячи различных ядерных превращений, в которых из
одних химических элементов получались другие элементы.
Тем самым ученые XX века решили практически задачу,
которую еще в годы открытия периодического закона поста-
вил Д. И. Менделеев. Говоря о химических превращениях
(превращениях молекул), ЛАенделеев указывал: «Все учение
химии состоит в учении о свойствах элементов. Цель и за-
дача — превратить один в другой — это будет дальше».
Над превращением элементов безуспешно бились сред-
невековые алхимики, стремившиеся получить золото, се-
ребро и другие драгоценные металлы из дешевых свинца,
ртути и меди. Но только ученые XX века, изучив свойства
атомов и их ядер и овладевая ядерными реакциями, научи-
лись осуществлять подобные превращения. И атомы ртути
и свинца могут быть средствами современной физики пре-
5 В. А. Михайлов 65
вращены в атомы золота и серебра. В ядре, например, атома
ртути 80 протонов. Можно выбить один из них. Мы получим
тогда ядро с 79 протонами. Это будет ядро атома золота.
Но только золото; добываемое подобным способом, обхо-
дится чрезвычайно дорого. Поэтому такой способ производ-
ства золота пока не имеет практического значения.
Для обстрела атомных ядер с целью вызвать их превра-
щения нужны очень быстрые частицы. Длительное время
единственным источником таких частиц были естественные
радиоактивные вещества, испускающие альфа-частицы
(ядра гелия). Но альфа-частицы, как и всякие ядра, имеют
положительный электрический заряд. Поэтому при прибли-
жении к обстреливаемому ядру, также положительно заря-
женйому, альфа-частица испытывает действие силы элек-
трического отталкивания тем большее, чем больше заряд
ядра.
Вследствие этого энергии альфа-частиц, испускаемых
радиоактивными веществами, хватает лишь для расщепле-
ния ядер легких атомов. От более тяжелых ядер природные
альфа-частицы отталкиваются, не проникая внутрь их.
Для увеличения скорости заряженных частиц-«снарядов»
были созданы весьма сложные установки — ускорители, в
которых альфа-частицы, протоны, дейтероны и другие заря-
женные частицы разгонялись до громадных скоростей и,
значит, энергий.
Первые установки такого рода были созданы английскими
физиками Кокрофтом и Уолтоном, а затем и советскими
физиками Синельниковым и Вальтером, сумевшими полу-
чить с помощью этих установок быстрые протоны.
Протоны в качестве «снарядов» для обстрела атомных
ядер имеют серьезное преимущество перед альфа-частицами.
Оно заключается в том, что заряд у протона в 2 раза меньше
заряда альфа-частицы. Вследствие этого сила отталкивания,
испытываемая протоном при его приближении к обстрели-
ваемому ядру,, будет в 2 раза меньше силы, которую испы-
тывает альфа-частица. Поэтому протону легче проникнуть в
ядро и вызвать его превращение. Обстреливая быстрыми
протонами атомы лития, Д. Кокрофт и Э. Уолтон в Англии
осуществили в 1932 г. расщепление его ядра на две альфа-
частицы. Ядро лития с атомным весом 7, захватив попав-
ший в него протон, возбуждается («нагревается») и затем
распадается на две альфа-частицы (два ядра гелйя), раз-
летающиеся в прямо противоположных направлениях с
большой скоростью.
66
Освобождаемая в этой реакции ядерная энергия перехо-
дит в кинетическую энергию быстро движущихся альфа-ча-
стиц. Величина ее оказывается большой и составляет около
17,2 Мэв на каждое ядро лития. Если бы можно было таким
способом расщепить 1 г лития, то выделившаяся энергия
составила бы около 56 млн. ккал.
Расщепление лития быстрыми протонами было первой
искусственной ядерной реакцией, в которой освобождалось
большое количество ядерной энергии. Это указывало на
принципиальную возможность получения ядерной энергии с
помощью искусственно вызываемых превращений атомных
ядер.
Важную роль в развитии ядерной физики сыграл цикли-
ческий ускоритель заряженных частиц — циклотрон, предло-
женный и построенный американским физиком Э. Лоурен-
сом в 1932 г. В этом ускорителе разгоняемые частицы дви-
жутся по круговой траектории с постепенно увеличиваю-
щимся радиусом, делая определенное, строго постоянное
число оборотов, или циклов, в каждую секунду (отсюда и
само название циклический ускоритель, или циклотрон).
При помощи циклотрона протоны можно разогнать до ско-
ростей, соответствующих энергии в 10 Мэв, имея переменное
электрическое напряжение, измеряемое всего лишь тыся-
чами вольт. Именно с циклотрона начинается фактически
история современных ускорителей.
Позже были созданы ускорители, с помощью которых
можно получать заряженные частицы с энергией в сотни и
даже тысячи миллионов электрон-вольт. Это удалось осу-
ществить, используя методы, разработанные советским фи-
зиком членом-корреспондентом Академии наук СССР
В. И. Векслером в 1944 г. и независимо от него американ-
ским физиком Мак-Миланом в 1945 г. Ускоритель, в кото-
ром используется один из методов Векслера, называется
синхроциклотроном, или фазотроном. Крупнейшим в мире
ускорителем этого типа является синхроциклотрон, по-
строенный в 1949 г. в Институте ядерных проблем Академии
наук СССР. Это — крупное инженерное сооружение, внеш-
ний вид которого дан на рис. 21. Синхроциклотрон позво-
ляет ускорять протоны до энергий 680 Мэв.
Эта установка вместе с другим оборудованием передана
Советским государством в 1956 г. Объединенному институту
ядерных исследований в г. Дубна.
Еще более мощными являются американские ускорители,
также основанные на идеях Векслера и Мак-Милана. Это,
5*
67
Рис. 21. Внешний вид синхроциклотрона
Рис. 22. Оощии вид синхрофазотрона на 10 млрд, электрон-вольт Объединенного инсти-
тута ядерных исследований
во-первых, так называемый космотрон в Брукхейвене, рас-
считанный на получение протонов с энергией в 3 млрд, эв,
и, во-вторых, беватрон Калифорнийского университета в
Беркли, с помощью которого удается разгонять протоны до
энергии в 6,3 млрд. эв.
Самый мощный в мире ускоритель заряженных частиц,
общий вид которого приведен на рис. 22, построен в 1956 г.
в СССР под руководством В. И. Векслера. Это — синхро-
фазотрон; вместе с другим уникальным оборудованием он
также передан Объединенному институту ядерных исследо-
ваний. Синхрофазотрон позволяет получать интенсивные
потоки протонов, обладающих энергией в 10 млрд. эв.
Рис. 23. Электрические генераторы для питания электромагнита
синхрофазотрона
Вот некоторые цифры, характеризующие масштабы и
точность этой гигантской установки. Вес ее кольцевого
электромагнита вместе с обмоткой составляет 36 тыс. т,
средний диаметр стального кольца достигает почти 60 м.
Обмотка представляет собой изолированную медную шину,
охлаждаемую дистиллированной водой и весящую около
600 т. Для питания электромагнита построена большая под-
станция, на которой установлены специальные электриче-
ские генераторы мощностью в 140 тыс. ква (киловольт-
ампер; рис. 23).
Вакуумная камера, внутри которой движутся ускоряе-
мые частицы, имеет объем, равный. 160 ж3; благодаря непре-
70
рывной работе 56 мощных насосов давление воздуха в ка-
мере падает до миллиардной доли атмосферы.
Магнитное поле, непрерывно воздействующее на ча-
стицы, выверено с точностью до десятых долей процента.
Чтобы обеспечить необходимую однородность поля (малей-
шее его искажение могло бы вывести установку из строя),
было сделано более 150 тыс. измерений.
Объем основных производственных зданий синхрофазо-
трона составляет 335 тыс. м3. Помимо основного оборудова-
ния, в этих зданиях смонтирована многочисленная уникаль-
ная радиотехническая и электронная аппаратура, включаю-
щая 6 тыс. различных реле и автоматов, 2 тыс. контрольно-
измерительных приборов и свыше 2 тыс. различных
аппаратов управления. Для соединения всей этой аппара-
туры проложены кабели протяжением около 1 тыс. км.
В апреле 1957 г. гигантский синхрофазотрон начал рабо-
тать; в ночь на 17 апреля его мощность была доведена до
расчетной. За 3,3 секунды протоны делают внутри вакуум-
ной камеры 4,5 млн. оборотов и пробегают при этом путь
в 1 млн. км, приобретая скорость, почти равную скорости
света. Их энергия, как и предполагалось, достигает
10 млрд. эв. Это самая высокая энергия частиц, какую
когда-либо удавалось искусственно создавать. Тем самым
физики многих стран, работающие в Объединенном инсти-
туте, получили в свое распоряжение необычайно скоростные
«снаряды» для обстрела атомных ядер.
Постройка и пуск гигантского синхрофазотрона, не имею-
щего себе равного в мире, представляет выдающееся дости-
жение современной науки и техники. Создание его оказа-
лось возможным благодаря упорному и творческому труду
большого коллектива ученых, инженеров и рабочих различ-
ных специальностей и высокому уровню развития советской
науки и промышленности.
Ускорители заряженных частиц являются незаменимыми
орудиями исследования атомного ядра и тех простейших,
так называемых элементарных частиц, с которыми имеет
дело ядерная физика.
«Обстреливая» протоны быстрыми частицами с энер-
гиями в сотни миллионов электрон-вольт, советским физи-
кам удалось, например, выяснить размеры протона. Оказа-
лось, что радиус протона равен примерно 5 • 10~14 см. Уста-
новлено также, что протон, по всей видимости, состоит из
какого-то остова, окруженного «облаком» мезонов — ча-
стиц, масса которых имеет промежуточную величину между
71
массами электрона и нуклона. Используя протоны с энер-
гиями в несколько миллиардов электрон-вольт, американ-
ские физики, работающие на беватроне, открыли в 1955 г.
антипротон — частицу с такой же массой, что и протон, но
имеющую отрицательный электрический заряд. Наконец, в
1956 г. был открыт антинейтрон — нейтральная частица ве-
щества с массой нейтрона, но по своим магнитным свой-
ствам противоположная ему. Число открытых физиками
частиц все время увеличивается.
Обилие элементарных частиц, многообразие их свойств,
необычайная сложность процессов, происходящих с их уча-
стием в ядрах атомов, являются блестящим подтвержде-
нием учения диалектического материализма о неисчерпае-
мости материи, о сложнейшей структуре атома и состав-
ляющих его частиц и неограниченных возможностях чело-
веческого познания. Можно надеяться, что опыты на новом
гигантском ускорителе, пущенном в СССР, сделают круп-
ный вклад в развитие ядерной физики и позволят наблюдать
рождение совсем новых элементарных частиц, пока еще не
известных науке.
В качестве «снарядов» для обстрела атомных ядер мо-
гут быть использованы также и нейтроны. Ввиду отсутствия
у них электрического заряда нейтроны не отталкиваются
ядрами атомов. Поэтому все нейтроны попадают в цель
(в ядра атомов обстреливаемой мишени) без промаха, если
только взять мишень достаточной толщины. К сожалению,
у нас нет иных источников нейтронов, кроме самих атом-
ных ядер, из которых их приходится выбивать, прибегая к
обстрелу другими заряженными частицами.
Для обстрела атомов с научной целью широко исполь-
зуются космические лучи. Так физики называют потоки
атомных ядер, непрерывно падающих к нам на Землю из
мирового пространства с огромной скоростью, близкой к
скорости света.
Большинство космических частиц обладает колоссаль-
ной энергией, измеряемой миллиардами и десятками мил-
лиардов электрон-вольт. Насколько велика энергия таких
частиц, показывает следующий пример. Если листочек
свинца толщиной всего в 0,001 см полностью поглощает
альфа-частицы, то для космических частиц не является пре-
пятствием и слой свинца толщиной в 1 nt. В космических
лучах имеются и такие сверхбыстрые частицы, энергия ко-
торых еще в миллиарды раз больше. Чтобы получить на-
глядное представление Q том, насколько велика их энергия,
72
можно привести такой пример. Если сверхбыстрая косми-
ческая частица имела бы массу в один грамм, то при паде-
нии ее в Черное море вся вода в нем закипела бы. Но так
как космические частицы ничтожно малы и общее число их
невелико, то попадание их на Землю не вызывает заметного
нагревания.
Космические частицы оказываются превосходными «сна-
рядами» для обстрела атомных ядер, в том числе ядер
тяжелых элементов. Сталкиваясь с ядрами, космические
частицы вызывают ряд интересных ядерных явлений.
В 1942 г. советский физик А. П. Жданов впервые наблюдал
под действием космических лучей полное расщепление ядер
атомов серебра и брома на составляющие их частицы.
Однако опыты с космическими лучами крайне затруд-
нены тем, что потоки их очень слабы. Исследователю при-
ходится месяцами ждать, пока в его приборы попадут
именно те частицы, которые его интересуют. Вот здесь-то и
приходят на помощь ускорители заряженных частиц, позво-
ляющие разгонять частицы до огромных скоростей, при ко-
торых можно гораздо лучше изучать атомные ядра и про-
цессы в них.
Изучая ядерные процессы, вызываемые быстрыми части-
цамй-«снарядами», ученые открыли значительное число
ядерных реакций, в которых выделялось относительно боль-
шое количество ядерной энергии. Таковы, в частности, реак-
ции расщепления лития под действием протонов и дейтеро-
нов, первая из которых рассмотрена выше.
Однако от установления факта выделения большого ко-
личества ядерной энергии до практического использования
ее было еще далеко.
Главная трудность, которую нужно было еще преодо-
леть, заключалась в том, что для освобождения ядерной
энергии необходимо было попасть частицей-«снарядом» в
каждое атомное ядро. Между тем при обстреле атомов
какой-либо мишени лишь ничтожная доля «снарядов» по-
падает в ядра ее атомов. В среднем лишь один снаряд из
целого миллиона попадает в цель, то есть в ядро, и вызы-
вает его превращение. Остальные 999 999 «снарядов» про-
летают мимо цели и, растрачивая свою энергию на иониза-
цию атомов, теряют способность проникать в ядра. В ре-
зультате такого положения на получение огромного коли-
чества «снарядов» затрачивается энергии значительно
больше, чем ее получается при ядерных превращениях.
73
Естественно, что такой способ освобождения ядерной энер-
гии не может иметь практического значения.
Если бы для извлечения энергии топлива приходилось
«поджигать» каждую молекулу его, то уголь, нефть и дру-
гие виды топлива не получили бы практического примене-
ния. К счастью, химическая реакция горения протекает
совсем иначе. Если поджечь уголь в каком-либо месте, то
при надлежащем доступе кислорода горение идет дальше
самостоятельно, само себя поддерживая и охватывая все
большую и большую массу угля. Молекулы углерода, из
которых состоит уголь, сами «зажигаются» одна от другой,
по цепочке. Такие самоподдерживающиеся химические реак-
ции, которые, будучи начаты, поддерживают себя дальше
сами, называются цепными. Теорию цепных химических
реакций разработал еще в 1928 г. советский ученый
Н. Н. Семенов.
Среди многочисленных ядерных реакций, о которых го-
ворилось выше, не было ни одной, которая, будучи начата,
развивалась бы дальше сама собой, по цепочке. В этих
ядерных реакциях расщепление одного ядра не вызывает
подобного же превращения других соседних ядер.
Положение коренным образом изменилось в 1939 г.
благодаря открытию ядерной реакции нового типа, назван-
ной реакцией деления тяжелых ядер, которая при опреде-
ленных условиях может протекать, как цепная. Эта реакция
была открыта при обстреле нейтронами урана — самого
тяжелого из существующих на Земле элементов.
Используя цепную реакцию деления тяжелых ядер, уче-
ным удалось осуществить тепловую ядерную реакцию с
водородом, протекающую в форме взрыва. Эта реакция,
называемая иначе термоядерной реакцией, происходит под
действием весьма высокой температуры, измеряемой мил-
лионами и десятками миллионов градусов.
Деление тяжелых ядер и термоядерная реакция с водо-
родом практически используются в настоящее время для
получения ядерной энергии.
Как протекают эти ядерные реакции, каковы их особен-
ности и рассказывается ниже.
2. Деление тяжелых ядер
Как известно из вышеизложенного, путем обстрела быст-
рыми частицами можно сделать радиоактивными большое
число химических элементов. Итальянский физик Э. Ферми
в 1934 г. показал, что чрезвычайно,эффективными возбуди-
74
4
телями искусственной радиоактивности являются нейтроны.
Изучая воздействие нейтронов на ядра атомов урана, уче-
ные ряда стран открыли много интересных и на первых
порах загадочных явлений. Одним из таких открытий,
явившимся, без сомнения, вы-
дающимся достижением физи-
ки, было открытие в 1939 г.
вызываемого нейтронами деле-
ния урана. Как установили не-
мецкие физики О. Ган и
Ф. Штрассман, после бомбар-
дировки урана нейтронами в
нем обнаруживаются ядра ато-
мов элементов, стоящих в сере-
дине периодической таблицы
Менделеева. Усилиями многих
физиков было доказано, что
эти новые ядра получаются в
результате деления ядра урана,
захватившего нейтрон; при
этом масса и заряд исходного
ядра распределяются (делят-
ся) между новыми ядрами —
«осколками» деления.
Теория деления тяжелых
ядер была разработана в том
же году советским физиком
Я. И. Френкелем и зарубеж-
ными учеными Н. Бором и
Д. Уилером на основе «капель-
ной» модели ядра.
В ядре урана, содержащем
92 протона, электрические силы
именно заряженными протонами весьма велики и лишь не-
много уступают ядерным силам притяжения. Вследствие
этого ядра урана не отличаются большой прочностью
(устойчивостью). Поэтому нейтрон, попадающий в такое
ядро, легко возбуждает (нагревает) его, делая еще менее
устойчивым. В результате ядро деформируется и, теряя
свою сферическую форму, вытягивается, как это показано
на рис. 24, 2, Поскольку, как мы знаем, ядерные силы дей-
ствуют лишь на очень коротком расстоянии, постольку
электрические силы отталкивания между противоположными
половинками растянутой капли превысят ядерное притяже-
75
Рис. 24. Последовательное из-
менение тяжелого ядра-капли
при делении:
1 — недеформированное ядро; 2 —
слабо деформированное ядро; 3 —
сильно деформированное ядро; 4 —
«осколки» деления
отталкивания между одно-
ние между ними. От этого ядро-капля станет вытягиваться
еще больше, на нем образуется перетяжка (шейка;
рис. 24, 5), и в конце концов оно разделится под действием
электрических сид отталкивания на две части, то есть на
два ядра («осколка») среднего веса (рис. 24,4). Делящееся
ядро выбрасывает («испаряет») несколько новых (вторич-
ных) быстрых нейтронов. При этом излучаются также
гамма-лучи. Особенно эффективно подобное деление под
действием нейтронов происходит с ядрами урана 235.
Схема деления ядер этого изотопа урана приведена на
рис. 25.
и
Ш1 Первичный
у нейтрон
Ядро урана 235
до деления
Гамма 'Лучи деления
Рис. 25. Схема деления ядра урана 235 при попадании в него
нейтрона
Ялра-«осколки» разлетаются в разные стороны с боль-
шой скоростью. Как показал Ф. Жолио-Кюри, «осколки»,
несмотря на их сравнительно большую величину, способны
пробегать в воздухе до 2,1 ent, что свидетельствует о нали-
76
чип у них огромной энергии. Измеряя пробеги «оскОлков»,
нашли, что их кинетическая энергия составляет около
162 Мэв. Сталкиваясь с атомами окружающей среды, ядра-
«осколки» передают им свою кинетическую энергию, вслед-
ствие чего происходит сильное нагревание среды.
Однако этим не исчерпывается количество выделяю-
щейся энергии. Следует еще учесть энергию вторичных ней-
тронов, гамма-излучения, испускаемого в процессе самого
деления (мгновенное гамма-излучение), и, наконец, энергию
радиоактивных излучений «осколков», поскольку они полу-
чаются всегда радиоактивными и в дальнейшем уже после
деления распадаются, испуская бета- и гамма-лучи и ней-
трино. Примерное распределение энергии, выделяющейся
при делении одного ядра урана 235, согласно современным
расчетным и экспериментальным данным, таково:
Кинетическая энергия „осколков“ ............ 162 Мэв
Кинетическая энергия нейтронов................ 6 „
Энергия мгновенного гамма-излучения .... 6 „
Энергия радиоактивного излучения „осколков“
(бета-, гамма-лучи и нейтрино)............. 21 „
Полная энергия деления ... 195 Мэв
Таким образом, общее количество энергии, выделяю-
щейся при делении одного ядра урана 235, составляет почти
200 Мэв. В расчете на 1 г урана, содержащий 2,6- 1021 ато-
мов, это дает огромную энергию, равную примерно
23 тыс. квт-ч. Если эту энергию выразить в килокалориях,
то мы получим знакомую нам величину 1 в 21 млн. ккал,
что в 3 млн. раз превосходит то количество тепла, которое
выделяется при сжигании 1 г хорошего каменного угля
(7000 кал или 7 ккал). Количество тепла, которое выде-
ляется при сгорании 1 г (или 1 кг) топлива, называется,
как известно, теплотворной способностью топлива. По ана-
логии с этим количество энергии, которое выделяется в
результате ядерной реакции деления 1 г урана (21 млн. ккал
на 1 г), называют теплотворной способностью ядерного го-
рючего. Уран 235 и некоторые другие вещества, ядра кото-
рых делятся с высвобождением энергии, называют ядерным
горючим,
Заметим, что полный запас энергии в 1 г любого веще-
ства, в том числе и урана, составляет около 21 млрд, ккал,
1 См. главу IV, раздел 3.
77
как это было показано на стр. 58. Сравнивая эту величину
с приведенной выше теплотворной способностью урана, мы
найдем, что при делении ядер урана освобождается около
одной тысячной доли всей той энергии, которая в них за-
ключена.
Природный уран представляет собой смесь в основном
двух изотопов: изотопа с атомным весом (массовым числом)
238 (уран 238) и изотопа с массовым числом 235 (уран 235).
Главную массу (около 99,3%) составляет уран 238; на долю
урана 235 приходится 0,7%. Другими словами, на каждые
140 атомов урана 238 приходится всего лишь один атом
урана 235. Свойства этих изотопов в отношении деления,
вызываемого нейтронами, несколько различны. Это обуслов-
лено тем, что энергия, которую нужно сообщить ядру для
того, чтобы вызвать его деление, составляет 6,5 Мэв для
урана 235 и 7,0 Мэв для урана 238. Эту энергию обычно
называют критической энергией деления или энергией акти-
вации ядра.
Чтобы лучше представить себе, что такое энергия акти-
вации, обратимся к знакомому явлению выстрела. Известно,
что для того, чтобы освободить химическую энергию пороха
в патроне и произвести выстрел, необходимо сначала сооб-
щить пороху некоторую добавочную энергию, произведя
взрыв капсюля патрона ударом бойка ударника. Так и атом-
ному ядру надо сообщить добавочную энергию, чтобы оно
поделилось и высвободило значительно большее количество
скрытой в нем энергии. Наименьшая энергия, необходимая
для этого, и есть энергия активации. Роль капсюля выпол-
няет здесь нейтрон.
Энергия, которую приносит ядру нейтрон, называется
энергией возбуждения ядра. Чем больше скорость нейтрона,
тем больше энергия возбуждения.
Важную роль в ядерной энергетике играют медленные,
так называемые тепловые нейтроны. Такое наименование
получили нейтроны, энергия которых имеет примерно та-
кую же величину, как и у молекул и атомов окружающей
среды в их непрерывном тепловом движении. При комнат-
ной температуре средняя кинетическая энергия нейтрона
равна 0,038 эв, его средняя скорость составляет при этом
около 2,7 км/сек.
Энергия возбуждения, сообщаемая ядру попадающим в
него тепловым нейтроном, имеет разную величину для раз-
личных изотопов урана. Критические энергии деления и со-
78
ответствующие энергии возбуждения для удобства обозре-
ния даны в нижеследующей таблице.
Ядро Критическая энергия деле- ния, MdB Энергия возбужде ния, сообщаемая тепловым нейтро- ном, Мэе
У ран 235 .... . 6,5 6,8
Уран 238 ...» 7,0 5,5
Как видим, тепловой нейтрон сообщает ядрам урана 238
и 235 разную энергию. Это различие объясняется тем, что
нейтрон вносит в ядро не только кинетическую энергию
(в обоих случаях одинаковую), но и свою энергию связи с
ядром, которая для урана 235 составляет большую вели-
чину, чем для урана 238.
С другой стороны, из таблицы видно, что энергия воз-
буждения заметно больше критической энергии в случае
урана 235 (6,8 против 6,5) и значительно меньше в случае
урана 238 (5,5 против 7,0). Отсюда следует, как это бы-
вает на практике, что ядра атомов урана 235 могут делиться
как быстрыми, так и тепловыми нейтронами, в то время как
ядра урана 238 делятся лишь весьма быстрыми нейтронами.
Как показали советские физики Г. Н. Флёров и К. А. Петр-
жак, деление ядер урана 238 могут вызвать только ней-
троны, имеющие энергию больше 1,1 Мэе, что соответствует
скорости свыше 14 тыс. км/сек. Такие же нейтроны, которые
имеют меньшую скорость, ядрами этого урана захваты-
ваются без деления. В последующем эти ядра превращаются
в результате радиоактивного распада в ядра атомов хими-
ческого элемента плутония, имеющего атомный вес 239 и
занимающего в таблице Менделеева 94 место.
Рассмотрим теперь поближе явление испускания нейтро-
нов при делении и радиоактивность получающихся при
этом «осколков». Мы уже знаем, что ядра урана 235
не отличаются большой устойчивостью. Поэтому нейтрон,
попавший в такое ядро, легко вызывает его деление. Осо-
бенность этого явления состоит в том, что «осколки» деле-
ния могут быть самыми различными. В одном случае это
будут ядра ксенона и стронция, в другом — ядра бария и
криптона, в третьем случае деление даст ядра атомов ред-
кого металла палладия и т. д. Деление ядер урана 235,
вызываемое нейтронами, осуществляется десятками вариан-
79
тов. Поэтому среди «осколков» встречаются изотопы более
чем 30 элементов периодической системы Менделеева, начи-
ная с селена (Z = 34) и кончая лантаном (Z = 57); их атом-
ные веса (массовые числа) колеблются от 72 до 162. Инте-
ресно отметить, что деление ядер урана на две равные
части происходит сравнительно редко. Чаще всего они де-
лятся на два различных ядра-«осколка», массовые числа
которых относятся как три к двум.
Ядро атома урана 235, захватив попавший в него ней-
трон, будет иметь 236 нуклонов (92 протона и 144 ней-
трона). Допустим теперь, что оно делится на два равных
«осколка». Тогда в каждом таком «осколке» будет по
46 протонов и по 72 нейтрона. Это будут ядра атомов пал-
ладия (Z = 46) с массовым числом 118. Но самый тяжелый
изотоп палладия, существующий в природе, то есть самый
тяжелый устойчивый изотоп этого элемента, имеет массовое
число ПО и содержит в своем ядре всего 64 нейтрона про-
тив 72. Таким образом, в каждом ядре палладия, образо-
вавшемся в результате деления, получится до 10 лишних
нейтронов, в силу чего такое ядро не может быть устойчи-
вым. Подобное положение бывает и в других ядрах-«оскол-
ках». Вот почему часть лишних нейтронов освобождается
(испаряется) в процессе самого деления. Такие нейтроны
называют мгновенными; они составляют более 99% общего
числа нейтронов, вылетающих при делении. Часть нейтронов
испускается уже после деления с запаздыванием 0,6—80 се-
кунд. Эти нейтроны называются запаздывающими; они со-
ставляют несколько меньше 1 % общего числа нейтронов
деления. На опыте установлено, что при делении урана 235
медленными нейтронами на каждое ядро, испытывающее
деление, приходится в среднем всего 2,5 вторичных нейтро-
нов; средняя кинетическая энергия каждого из них порядка
2 Мэв. Среднее число вторичных нейтронов не является
целым, потому что массовые числа «осколков», получаю-
щихся при делении ядер урана, оказываются, как мы уже
знаем, весьма разнообразными. В соответствии с этим число
нейтронов, вылетающих в каждом индивидуальном акте де-
ления, оказывается различным и колеблется от 1 до 3.
Как видим, число вылетающих нейтронов невелико. По-
этому и после испускания нейтронов ядра-«осколки» обла-
дают еще большим избытком нейтронов. Это ведет к тому,
что в дальнейшем лишние нейтроны последовательно пре-
вращаются внутри ядра-«осколка» в протоны, что сопро-
вождается, как известно, испусканием бета-частиц и ней-
80
трино и во многих случаях гамма-лучей. Внутриядерное
превращение нейтронов в протоны происходит до тех пор,
пока не установится такое соотношение между ними, при
котором ядро делается устойчивым (стабильным).
Каждое радиоактивное ядро-«осколок» имеет свою ха-
рактерную цепочку бета-распадов. Две радиоактивные
цепочки, принадлежащие барию и стронцию, приведены для
примера на рис. 26.
Неодим
/ 15 мин _____/ 1,5 дня xLx 13,5 дня
барии Лантан Церий Празеодим
Стронций Иттрий Цирконий
Рис. 26. Схема распада «осколков» деления (радиоактивные це-
почки бария 143 и стронция 94)
Период полураспада бария 143, получающегося при де-
лении, около 1 мин.; распадаясь с испусканием бета-ча-
стицы, он превращается в лантан. Лантан тоже радиоакти-
вен, период его полураспада 15 мин.; распадаясь, он пре-
вращается в церий, который превращается в дальнейшем в
празеодим, и т. д. Цепочка заканчивается стабильным изо-
топом неодима.
Стронций 94 дает короткую цепочку, заканчивающуюся
стабильным изотопом циркония.
3. Цепная реакция деления тяжелых ядер
Как указано выше, при делении ядра урана получается
несколько (в среднем 2,5) новых свободных нейтронов. Эта
особенность деления ядер урана, обнаруженная в 1939 г.
Ф. Жолио-Кюри и затем подтвержденная другими физи-
ками, имеет исключительно важное значение. Благодаря
испусканию вторичных нейтронов, способных в свою очередь
вызвать деление других ядер, реакция деления может про-
текать при определенных условиях самостоятельно, сама
собой, стоит только ее начать. Такая самоподдерживаю-
6 В А. Михайлов 81
щаяся ядерная реакция, которая, будучи начата (иницииро-
вана), поддерживает себя сама, и есть цепная.
Чтобы реакцию деления ядер урана 235 осуществить как
цепную, нужно только взять достаточно большой кусок
чистого урана 235.
Как показали в 1940 г. Г. Н. Флёров и К. А. Петржак,
небольшое число ядер урана делится с испусканием нейтро-
нов самопроизвольно. Самопроизвольные деления происхо-
дят редко—в одном грамме обычного урана наблюдается
всего около 23 делений в час. Но получающихся в резуль-
тате этого свободных нейтронов будет достаточно для того,
Рис. 27. Схема цепной реакции деления ядер урана 235
чтобы начать («зажечь») цепную реакцию в куске урана.
В результате деления какого-либо ядра урана одним из
блуждающих нейтронов, всегда имеющихся в уране, по-
явятся новые нейтроны и притом в большем количестве. Эти
нейтроны смогут вызвать новые деления, вследствие чего
число делящихся ядер и число нейтронов будет само
лавинообразно увеличиваться.
Таким образом, один нейтрон даст начало целой цепочке
делений, причем количество ядер, подвергающихся делению,
нарастает чрезвычайно быстро. Схема цепной реакции при-
ведена на рис. 27. Заштрихованные кружки изображают
ядра среднего веса, получающиеся при делении («осколки»
деления).
82
В большом куске урана процесс деления большинства
ядер осуществляется всего за 2—3 миллионные доли се-
кунды, в течение которых в весьма малом объеме выделится
огромное количество ядерной энергии. В результате полу-
чится взрыв колоссальной силы, называемый атомным
взрывом. Предельное количество
выделиться в атомном взрыве 1 кг
урана 235 при делении всех его
ядер, приблизительно равно энер-
гии взрыва 20 тыс. т обычного
взрывчатого вещества — тротила
(тола). Однако энергии факти-
чески выделяется значительно
меньше вследствие того, что не
весь уран успевает прореагиро-
вать и часть его разбрасывается.
В малых кусках урана 235
цепная реакция невозможна, и
если даже ее начать, то она все
энергии, которое может
Рис. 28. Схема, показываю-
щая, что в нсоольшогл кус-
ке урана пепная реакция
равно тотчас же затухнет, так невозможна
как большая часть вторичных
нейтронов вылетит за пределы куска, не успев столкнуться
с новыми ядрами и вызвать их деление (рис. 28). Это объ-
ясняется тем, что ядра занимают в веществе ничтожно
малую часть его объема. Напомним, что диаметр атома
равен в среднем одной стомиллионной доле сантиметра,
а диаметр ядра еще меньше в десятки тысяч раз.
Следует также иметь в виду, что часть нейтронов может
быть потеряна для деления вследствие их захвата ядрами
атомов посторонних примесей и самого урана без деления.
Если размеры куска урана, в котором происходит деле-
ние, увеличивать, то пробег нейтрона в веществе возрастает,
отчего шансы его столкнуться с ядром и произвести деление
увеличиваются. Поэтому при увеличении размеров куска
урана относительная потеря нейтронов за счет утечки их
наружу уменьшается и при некотором объеме куска насту-
пает момент, когда начавшаяся реакция будет развиваться
дальше самостоятельно, сама себя поддерживая. Наимень-
шее количество урана или плутония, при котором возможна
цепная реакция, называется критической массой. При этой
массе один из вторичных нейтронов каждого делящегося
ядра обязательно вызовет новое деление. Поэтому-то реак-
ция и сможет в этом случае сама себя поддерживать. При
большей массе урана еще большее число вторичных нейтро-
6*
83
нов будет вызывать новые деления. На рис. 29 схематически
показано начало развития цепной реакции в куске урана с
массой больше критической. В этой схеме исходное деле-
ние (/) дает три вторичных нейтрона (первое поколение
нейтронов). Все они в нашем примере вызывают новые
(вторые) деления (//), в результате чего появляется вто-
рое поколение нейтронов в количестве 8. Один из нейтро-
нов этого поколения, столкнувшись с ядром атома какой-
либо примеси, захватывается им без деления и новых ней-
тронов не вызывает. Остальные «рождают» несколько
нейтронов третьего поколения, которые в дальнейшем «по-
рождают» новые вторичные нейтроны, и т. д.
Рис. 29. Схема развития цепной реак-
ции в куске достаточных размеров
(/ — исходное деление, II — вторые де-
ления, III — третьи деления и т. д.)
Нетрудно сообразить, что для поддержания цепной реак-
ции необходимо, чтобы из двух с половиной вторичных ней-
тронов, возникающих в среднем в каждом индивидуальном
акте деления, по крайней мере один вызывал новое деление.
В этом случае начатая реакция не остановится и будет про-
текать с постоянным количеством делений в единицу вре-
мени, то есть с постоянной скоростью. Если же на каждые
два с половиной вторичных нейтрона будет приходиться
не одно деление, а больше, например, два, то количество
нейтронов, производящих деление, будет лавинообразно
расти в геометрической прогрессии 1 : 2 : 4 : 8 : 16 : 32 : 64 г...
84
Число нейтронов будет удваиваться от одного поколения к
другому, так что уже в десятом поколении их будет 1000, а
в восьмидесятом — около 1024 (единица с двадцатью че-
тырьмя нулями), то есть примерно столько, сколько имеется
атомов в 0,5 кг урана.
Таким образом, скорость развития цепной реакции зави-
сит от того, как происходит размножение нейтронов. Для
количественной характеристики этой зависимости приме-
няют особую величину, называемую коэффициентом размно-
жения нейтронов. Коэффициент размножения нейтронов —
это число, которое показывает, во сколько раз увеличи-
вается в среднем количество нейтронов, производящих деле-
ния, от одного поколения к другому. Другими словами,
коэффициент размножения есть среднее число нейтронов,
вызывающих деления, приходящееся на каждый нейтрон
предыдущего поколения. Обозначим коэффициент размно-
жения буквой К.
Если коэффициент размножения равен единице (К = 1),
то цепная реакция возможна. Будучи начата, реакция про-
исходит с такой же скоростью, с которой она началась.
Пусть, например, в каком-то определенном поколении было
1000 нейтронов, вызвавших деления. В каждом последую-
щем поколении при = 1 таких нейтронов будет
также 1000. Поскольку число нейтронов, производящих де-
ления в каждую единицу времени, в этом случае постоянно,
постольку количество выделяемой в единицу времени энер-
гии (выделяемая мощность) также будет постоянно.
Если коэффициент размножения К меньше единицы
(К < 1), то цепная реакция невозможна; если даже ее на-
чать, то она сама собой тотчас же затухнет.
Если коэффициент размножения больше единицы
(К> 1), то число нейтронов в процессе деления лавино-
образно увеличивается и тем быстрее, чем больше К по срав-
нению с единицей. Реакция идет с нарастающей скоростью,
то есть с возрастающим количеством делений в единицу
времени. Увеличение же скорости реакции означает увели-
чение выделяемой мощности. Чем больше К по сравнению с
единицей, тем быстрее увеличивается мощность. Как ви-
дим, скорость развития цепной реакции зависит от величины
коэффициента размножения К. На этом основании коэффи-
циент размножения нейтронов называют также коэффициен-
том развития цепной реакции.
Величина коэффициента размножения нейтронов зави-
сит от массы (веса) и геометрической формы куска деляще-
85
гося вещества. Чем больше масса куска, тем больше при
прочих равных условиях коэффициент размножения К. Так
называемая критическая масса — это как раз такая масса,
при которой коэффициент размножения нейтронов равен
единице.
Коэффициент размножения нейтронов у кусков одинако-
вой массы, но различной формы, имеет разную величину.
Легко понять, что если кусок урана взять, например, в виде
тонкой пластинки, то даже при очень большой массе (весе)
ее коэффициент размножения будет меньше единицы, и
цепная реакция не разовьется. Это объясняется тем, что у
тонкой пластинки очень велика поверхность, через которую
вторичные нейтроны будут уходить в окружающее простран-
ство, не производя делений (рис. 30, а). Иное дело, если
Рис. 30. Зависимость коэффициента размноже-
ния нейтронов от формы куска урана
{V — объем, S — поверхность)
такое же количество урана взять в виде шара (рис. 30, б).
При одной и той же массе, а значит и объеме шар обладает
наименьшей поверхностью по сравнению с куском урана
любой другой формы. Например, прямоугольная пластинка
с размерами 0,5 • 40 • 25 см при объеме в 500 сл*3 имеет по-
верхность 2065 см2. Шар такого же объема (радиус его
равен примерно 5 см) имеет поверхность всего около
86
314 см2. Как видим, при одном и том же объеме (массе)
поверхность шара значительно меньше, чем у тонкой пла-
стинки. Поэтому утечка нейтронов в окружающее простран-
ство у шара значительно меньше, чем у тонкой пластинки.
Это значит, что у шара коэффициент размножения К бу-
дет равен единице при значительно меньшей массе, чем у
куска любой другой формы. Другими словами, критическая
масса имеет наименьшую величину в случае, когда кусок
делящегося вещества имеет форму шара. Расчет показы-
вает, что для урана 235 в этом случае критическая масса
составляет несколько килограммов. Следует иметь в виду,
что присутствие в уране 235 хотя бы в самом незначитель-
ном количестве посторонних примесей, поглощающих ней-
троны, вызывает их дополнительные потери. Это влечет за
собой уменьшение коэффициента размножения и, следова-
тельно, увеличение критической массы.
Рассмотренная нами цепная реакция деления тяжелых
ядер — это основной путь в настоящее время для получения
ядерной энергии. В качестве горючего для этой реакции,
кроме урана 235, могут быть использованы уран 233, плуто-
ний 239 и, по-видимому, плутоний 241.
Цепная реакция деления, осуществляемая с возможно
большей и быстро нарастающей скоростью, происходит в
форме атомного взрыва и используется в атомной бомбе.
Цепная реакция, протекающая без взрыва с регулируе-
мой по воле человека скоростью, осуществляется в так на-
зываемых атомных реакторах или котлах; она служит для
получения ядерной энергии как источника тепловой, меха-
нической и электрической энергии в промышленности, на
транспорте, в военном деле и в быту.
4. Термоядерная реакция
А. Общие сведения о термоядерной реакции
Как уже указывалось, ядерную энергию можно полу-
чить не только при делении тяжелых ядер, но и путем со-
единения наиболее легких ядер в более тяжелые. Из кривой
энергии связи, рассмотренной выше (см. рис. 20), следует,
что наибольшая энергия должна выделяться при соединен
нии легких ядер в ядра атомов железа и никеля, энергия
связи которых имеет самую большую величину, примерно
равную 200 млн. ккал на 1 г. Такое количество энергии вы-
делилось бы при образовании 1 г железа из протонов и ней-
тронов. При рассмотрении кривой энергии связи обращает
87
на себя внимание гелий, ядра которого также имеют боль-
шую энергию связи (165 млн. ккал в расчете на 1 г). Реак-
ции синтеза ядер гелия путем соединения ядер водорода со-
провождаются значительно большим выделением энергии на
единицу массы, чём реакции деления тяжелых ядер.
Атомные ядра, имея положительный электрический за-
ряд, отталкиваются друг от друга, как и всякие одноименно
заряженные тела. Поэтому для слияния каких-либо двух
ядер в одно ядро необходимо сначала преодолеть значи-
тельные силы электрического отталкивания. Только после
того, когда ядра сблизятся настолько, что вступят в дейст'
вие силы ядерного притяжения, произойдет их слияние.
Ядерные силы имеют, как мы уже знаем, огромную вели-
чину лишь внутри ядра, где они в миллионы раз превосхо-
дят силы электрического отталкивания между одноименно
заряженными протонами. На границе же ядра они настолько
быстро уменьшаются до нуля, что радиус их действия не
превосходит 7 • 10“13 см. Поэтому для слияния двух легких
ядер их надо сблизить настолько, чтобы расстояние между
ними стало меньше этой величины. Тогда ядерные силы за-
ставят сближаться ядра дальше до полного слияния и обра-
зования нового, более тяжелого ядра.
Из вышеизложенного следуег, что соединяться могут
только очень быстрые ядра, обладающие большим запасом
кинетической энергии, достаточным для производства ра-
боты по преодолению сил электрического отталкивания. Зна-
чит, здесь, как и в случае реакции деления, для сближе-
ния ядер и обеспечения начала ядерного взаимодействия
между ними требуется предварительная затрата некоторой
энергии, которая называется критической энергией, или
энергией активации.
Энергия активации будет, конечно, тем меньше, чем
меньше сила электрического отталкивания между соединяе-
мыми ядрами. Значит, легче всего соединить ядра, имеющие
возможно меньший электрический заряд. Такими ядрами
являются, как мы знаем, ядра атомов водорода, гелия и ли-
тия. Вот почему при практическом осуществлении реакций
синтеза в качестве реагирующего вещества используют раз-
личные изотопы именно этих элементов.
Сказанное выше относительно слияния атомных ядер
можно пояснить следующим примером. Представим себе
гору с глубоким кратером (рис. 31, а), и пусть у подножия
кратера находятся два шарика (камня). Чтобы воспользо-
ваться потенциальной энергией камней, их можно сбросить
88
в кратер, но для этого им надо сначала сообщить добавоч-
ную энергию, подняв на край кратера. После этого под дей-
ствием силы земного притяжения камни упадут вниз и от-
дадут значительно больше энергии, чем ее было затрачено
при их подъеме.
Преодоление сил электрического отталкивания при слия-
нии атомных ядер соответствует подъему камней на край
кратера в нашем примере. Та добавочная энергия, которая
затрачивается при этом, и есть энергия активации. Сближе-
Ж о W? W? W
Рис. 31. Механическая модель слияния
легких ядер (а — слияние с выделением
энергии, б— слияние с поглощением
энергии)
нию ядер в сфере действия ядерных сил, сопровождающе-
муся выделением части ядерной энергии, соответствует па-
дение камней в кратере.
Не следует только думать, что слияние всяких ядер
всегда сопровождается высвобождением энергии. Слияние
ядер может происходить и с поглощением энергии. Так, если
бы путем слияния двух ядер гелия нам удалось образовать
одно ядро бериллия, то в такой реакции пришлось бы за-
тратить энергии больше, чем ее было бы получено. Дело
обстоит здесь так, как если бы в рассмотренном примере
кратер был мелкий, а края его высокие (рис, 31, б), По-
89
нятно, что на подъем камней потребуется здесь больше энер-
гии, чем они ее отдадут при последующем падении.
Как заставить атомные ядра сближаться настолько тесно,
чтобы ядерные силы вступали в действие и образовывали
более тяжелые ядра? Каким способом сообщить ядрам не-
обходимые для этого колоссальные скорости?
Можно, конечно, разогнать ядра, например дейтерия, с
помощью того или иного ускорителя и направить их на ми-
шень, содержащую эти же или какие-либо другие ядра.
Однако такой метод, при огромном его научном значении,
не годится для производства ядерной энергии, так как ко-
личество быстрых ядер, получаемых таким способом, неве-
лико и к тому же шансы попасть в ядра мишени очень уж
малы. Из многих тысяч ядер-«снарядов» лишь одно испы-
тывает лобовое столкновение с ядром мишени, ведущее к
образованию более тяжелого ядра. В результате выход
энергии оказывается ничтожным по сравнению с колоссаль-
ными затратами ее.
Как разогнать одновременно большое количество атом-
ных ядер? Можно, оказывается, воспользоваться вечным теп-
ловым движением частиц вещества. Тепловым движением
называют непрерывное и беспорядочное по направлению и
скорости движение частиц вещества (молекул, атомов, атом-
ных ядер, электронов и т. д.). Известно, что скорость ча-
стиц в этом движении растет с температурой, и поэтому,
нагревая какое-либо вещество, в принципе возможно сооб-
щить его частицам такие же большие скорости, как и в
ускорителе. Сталкиваясь в силу теплового движения друг
с другом, частицы смогут в этом случае преодолевать силы
электрического отталкивания и соединяться. Какие же тем-
пературы необходимы для этого?
При обычных температурах, при которых мы живем,
средняя скорость теплового движения молекул азота воз-
духа, например, составляет 0,5 км/сек, водорода — около
1,8 км/сек. При таких скоростях сближение частиц до слия-
ния их ядер невозможно, так как имеющейся энергии недо-
статочно для преодоления сил электрического отталкивания.
Чтобы преодолеть это отталкивание, необходимы значи-
тельно более высокие скорости.
Температуры, измеряемые десятками и даже сотнями
тысяч градусов, тоже еще не дают нужных скоростей.
И только при температурах в несколько миллионов граду-
сов, когда средние скорости ядер водорода достигают не-
скольких сот километров в секунду, отдельные столкнове-
90
ния наиболее быстрых из них заканчиваются слиянием их.
Наконец, при температуре в десятки миллионов градусов
уже многие столкновения между ними ведут к ядерным
превращениям. Еще более высокие температуры потребу-
ются для осуществления слияния атомных ядер более тяже-
лых элементов.
При сверхвысоких температурах атомы легких элемен-
тов (водород, гелий, литий и т. д.) оказываются полностью
ионизированными, их ядра лишены обычно окружающей их
электронной оболочки и существуют, так сказать, в «голом»
виде. Ядра и вырванные из атомов электроны образуют
своеобразный электронно-ядерный газ, называемый физи-
ками плазмой, с очень высокой плотностью (порядка не-
скольких десятков граммов на кубический сантиметр). Все
частицы этой плазмы движутся с огромными скоростями и
часто сталкиваются между собой. То, что ядра водорода и
других легких элементов в этих условиях «голые», весьма
облегчает их слияние при столкновениях.
Таким образом, температуры в десятки миллионов гра-
дусов оказываются достаточными для соединения наиболее
легких ядер. Реакции соединения легких ядер в более тяже-
лые, происходящие при сверхвысоких температурах, назы-
ваются термоядерными реакциями. Термоядерные реакции —
это реакции синтеза, то есть образования относительно тя-
желых и сложных ядер из более простых и легких.
Теорию термоядерных реакций ученые стали разрабаты-
вать еще задолго до искусственного осуществления этих
реакций на Земле. Это было предпринято с целью объяс-
нить происхождение солнечной и звездной энергии. Изве-
стно, что Солнце и звезды излучают огромное количество
энергии. Солнце, например, излучает столько энергии,
сколько ее можно получить при сжигании каждую секунду
около 13 000 000 млрд, т каменного угля. Казалось бы, что,
теряя так много энергии, Солнце давно должно было бы
остыть. Но оно не остывает и светит вот уже несколько
миллиардов лет. В связи с этим и было выдвинуто предпо-
ложение о том, что на Солнце и в звездах происходят тер-
моядерные реакции, конечным результатом которых яв-
ляется образование гелия из водорода. Сопоставление рас-
четных данных с результатами прямых наблюдений за
Солнцем, проводимых астрономами и физиками, позволяет
считать в настоящее время, что такое предположение яв-
ляется, по-видимому, правильным.
91
В центре Солнца, по современным данным, температура
равна 13 млн. градусов (а не 20 млн., как считалось
раньше), давление— 100 млрд, атмосфер. Плотность веще-
ства при таком давлении достигает колоссальной величины:
70—100 г!см3, причем около 80% вещества по весу прихо-
дится на долю водорода, а из более тяжелых элементов
преобладает гелий, имеется также и углерод. Таким обра-
зом, условия, необходимые для протекания разных термо-
ядерных реакций, на Солнце имеются.
Первый возможный путь образования гелия из водорода
на Солнце — это так называемый протонно-протонный цикл.
Цикл — это в данном случае цепочка из нескольких ядер-
ных реакций, последовательно протекающих одна за другой.
Вначале происходит слияние двух протонов (р); в резуль-
тате образуется дейтрон (D2) — ядро тяжелого изотопа во-
дорода — дейтерия; эта реакция сопровождается испуска-
нием позитрона (р+) и нейтрино (v).
Рис. 32. Схема ядерных реакций протонно-протонного цикла
Затем дейтроны соединяются с протонами, образуя ядра
легкого изотопа гелия с атомным весом 3 (гНе3). Эта реак-
ция сопровождается испусканием гамма-лучей ([). После-
дующее развитие цикла может происходить разными пу-
тями. Наиболее вероятным, то есть относительно чаще
встречающимся продолжением первых двух реакций про-
тонно-протонного цикла, является реакция соединения двух
ядер легкого изотопа гелия, ведущая к образованию ядра
основного изотопа гелия (гНе4) и двух протонов. Схема
ядерных реакций такого варианта протонно-протонного
цикла приведена на рис. 32.
Возможен и другой путь образования гелия на Солнце,
связанный с так называемым углеродно-азотным циклом
92
Г. Бете. При высоких температурах, господствующих внутри
Солнца, быстрые протоны могут проникать в ядра атомов
углерода, имеющегося там. Это дает начало цепочке ядер-
ных реакций, составляющих цикл Бете и ведущих в конеч-
ном счете к образованию одного ядра гелия из четырех
протонов с испусканием двух позитронов. На последнем
этапе этого цикла углерод вновь возрождается полностью.
Как протонно-протонный, так и углеродно-азотный
циклы дают один и тот же результат: из водорода обра-
зуется гелий и выделяется огромное количество энергии —
около 165 миллионов килокалорий на каждый грамм гелия.
Что касается времени протекания каждого из рассмотрен-
ных циклов, то оно очень велико. Продолжительность про-
тонно-протонного цикла по современным данным составляет
около 14 млрд, лет, продолжительность цикла Бете не-
сколько меньше и равна примерно 330 млн. лет.
Следует иметь в виду, что огромная мощность излучения
Солнца связана не с быстротой выделения энергии, а с
огромной массой (весом) самого Солнца. Мощность излу-
чения, рассчитанная на один грамм вещества Солнца, со-
ставляет всего около двух десятимиллионных долей ватта
(точнее 1,9- 10“7 вт). При столь малой скорости выделения
энергии потребовалось бы около 100 г солнечного веще-
ства, чтобы обеспечить питание 20-ваттной электрической
лампочки накаливания.
Таким образом, образование гелия из водорода в нед-
рах Солнца и звезд происходит очень медленно, но в гран-
диозных масштабах. Именно поэтому Солнце излучает
огромное количество энергии на протяжении миллиардов
лет. А так как водорода на Солнце очень много, то его хва-
тит, как показывают расчеты, еще на сотни миллиардов лет.
Б. Искусственные термоядерные реакции
Для осуществления термоядерных реакций даже на
основе самых легких ядер требуются, как мы теперь знаем,
чрезвычайно высокие температуры порядка десятков мил-
лионов градусов. Поэтому практическое осуществление тер-
моядерных реакций на Земле стало возможным лишь после
овладения цепными реакциями деления тяжелых ядер
взрывного типа. Необходимые для начала термоядерной ре-
акции сверхвысокая температура и давление оказалось воз-
можным получить с помощью атомного взрыва. Атомный
взрыв вызывает (инициирует) термоядерную реакцию соот-
93
ветствующей «горючей» смеси, протекающую в форме так
называемого теплового взрыва. Заряд атомного взрывча-
того вещества (урана 235 или плутония 239) является здесь
как бы капсюлем-детонатором, инициирующим тепловой
взрыв.
Тепловые взрывы в случае химических процессов были
изучены выдающимся советским ученым Н. Н. Семеновым
еще более двух десятков лет тому назад. Такие взрывы
происходят в некоторых химически сложных веществах, в
которых скорость реакции, сопровождающейся значитель-
ным выделением тепла, сильно увеличивается с ростом тем-
пературы. Примером подобных веществ являются различ-
ные пороха, смесь паров бензина с воздухом при сильном
сжатии и т. п. В таких веществах с началом химической ре-
акции и выделением первых порций тепла начинает повы-
шаться температура. Это ведет к ускорению реакции: коли-
чество выделяющегося тепла возрастает, а следовательно,
возрастает и температура. Процесс настолько быстро разви-
вается, что происходит взрыв, который и называют тепловым.
Аналогично этому протекает термоядерная реакция в
так называемой водородной бомбе, рассматриваемой ниже.
Цепная реакция деления дает начало реакции синтеза ядер
гелия из водорода. От этого в свою очередь выделяется теп-
лота и повышается без того высокая температура. Скорость
термоядерной реакции и количество выделяющегося тепла
резко увеличиваются, что в свою очередь ведет к дальней-
шему лавинообразному ускорению реакций. В конечном
счете происходит мощный термоядерный взрыв.
Величина термоядерного заряда может быть малой и
большой. Для этого заряда не существует критических раз-
меров и критической массы.
Для эффективного протекания термоядерной реакции,
кроме высокой температуры, требуется также высокая плот-
ность горючего. Чем больше вещества заключено в данном
объеме, тем больше в нем будет атомов и тем чаще, следо-
вательно, будут сталкиваться ядра между собой, тем больше
будет образовываться ядер гелия с выделением соответст-
вующей энергии.
Так как продолжительность атомного взрыва исчисляется
всего несколькими миллионными долями секунды, то есть
несколькими микросекундами, то в качестве горючего для
термоядерной реакции должны быть взяты вещества, ядра
которых успевают за это время соединиться в достаточном
количестве. Физикам известна пока только одна термоядер-
94
Ная реакция, которая может быть непосредственно вызвана
атомным взрывом даже в случае, когда плотность горючего
близка к плотности вещества внутри Солнца; это — реакция
соединения тяжелого и сверхтяжелого изотопов водорода
(дейтерия и трития). Ядра дейтерия и трития, сталкиваясь
между собой, образуют новое и притом возбужденное ядро,
которое тотчас же превращается обычно в ядро гелия, испу’
ская нейтрон. Схема подобного процесса образования ядер
гелия из водорода приведена на рис. 33. Продолжитель-
ность этой реакции составляет около 40 микросекунд при
температуре 20 млн. градусов и сокращается примерно до
четверти микросекунды с повышением температуры до
200 млн. градусов.
Рис. 33. Образование ядра ге-
лия из ядер дейтерия и три-
тия
Величина выделяющейся при этой реакции энергии была
выше подсчитана. Она равна 100 млн. ккал на каждый
грамм гелия, что примерно в 5 раз больше той энергии, ко-
торая выделяется при полном делении грамма урана или
плутония.
Если учесть, что вес термоядерного заряда ничем прин-
ципиально не ограничен, то нетрудно будет понять, что
мощность взрыва водородной бомбы может оказаться во
много раз большей, чем мощность взрыва атомной бомбы.
Высокая плотность термоядерного горючего может быть
достигнута либо путем сжатия газа до высоких давлений
или его сжижения, либо использованием химических соеди-
нений изотопов водорода с другими веществами. Последний
путь представляется более вероятным, так как применение
сильно сжатого или жидкого водорода не обеспечивает „вы-
сокой плотности горючего и к тому же связано с рядом кон-
структивных трудностей. Наиболее простым и доступным
соединением водорода является тяжелая и сверхтяжелая
вода. У тяжелой воды молекулы построены по обычной
95
формуле химии из двух атомов дейтерия и одного атома
кислорода, у сверхтяжелой воды — из двух атомов трития и
также одного атома кислорода.
Водород может использоваться также в виде твердого
соединения с металлом — в виде, например, гидрида лития.
Гидрид лития LiH — твердое соединение лития с водородом,
похожее по своим свойствам на соли и имеющее плотность
0,82 г/см3. Содержание водорода в 1 см3 этого соединения
(0,1 г/см3) превышает плотность жидкого водорода
(0,07 г/см3).
Необходимый для термоядерной реакции дейтерий со-
держится в природном водороде в количестве 0,01—0,02%.
Выделение дейтерия из природных соединений водорода
освоено и является сравнительно простым делом. Тритий в
достаточных количествах в природе отсутствует и получается
искусственным путем в ядерных реакторах.
В. Перспективы осуществления управляемых термоядерных
реакций
Термоядерная реакция с атомным зарядом в качестве
детонатора может быть использована лишь для военных це-
лей, так как разрушительное действие самого атомного
взрыва очень велико. Если найти менее разрушительный де-
тонатор, то тогда эту реакцию можно будет осуществить не
только в больших масштабах, но и в малых, что откроет
путь для мирного использования термоядерных реакций.
Первые опыты в этом направлении связаны с использо-
ванием нескольких небольших по величине зарядов обыч-
ного взрывчатого вещества (ВВ). Французские ученые Тибо
и Перье еще в 1951 г. произвели крошечный взрыв в не-
большой камере, примерное устройство которой приведено
на рис. 34. Ударные волны, образующиеся при взрыве за-
рядов обычного ВВ, сталкивались в центре камеры, вслед-
ствие чего смесь воздуха и аргона, наполнявшая камеру,
моментально нагревалась до температуры, значительно пре-
вышающей температуру на поверхности Солнца, и начи-
нала светиться. Свечение наблюдалось через окошко ка-
меры и регистрировалось фотокамерами.
Если две или более встречных ударных волны от взрыва
обычного ВВ направить через суживающиеся каналы, то
можно будет сконцентрировать энергию, необходимую для
повышения температуры горючей смеси в небольшом объеме.
Если этот объем будет достаточно мал, то температура под-
нимется до весьма большой величины, чем и будут созданы
96
условия, необходимые для начала термоядерной реакции.
К сожалению, реакция, осуществленная подобным спосо-
бом, также будет иметь характер взрыва, хотя, быть может,
и безопасного.
Не исключено, однако, применение этого способа для
получения малой мощности взрывов водородной смеси, сле-
дующих друг за другом. Для этого надо будет «зажигать»
смесь небольшими порциями. Как только «выгорит» первая
порция, в камеру впускается и «зажигается» вторая порция,
затем третья и т. д. Это будет напоминать работу двига-
Рис. 34. Схема опыта то получе-
нию сверхвысокой температуры
путем столкновения ударных
волн в газе:
1 — ВВ; 2 — металлический корпус; 3 —
трубки для впуска и выпуска газа;
4 ~ окно для наблюдения
теля внутреннего сгорания типа дизеля, в котором также
порциями впрыскивается горючее; оно мгновенно зажи-
гается, выделяя энергию и обеспечивая работу двигателя.
Для использования термоядерных реакций в мирных це-
лях необходимо разработать такие способы получения
сверхвысоких температур и регулирования скорости реак-
ций, в которых можно было бы избежать взрыва. В этом
состоит генеральная задача современной ядерной физики.
Термоядерные реакции с регулируемой скоростью позво-
лят получать ядерную энергию не за счет запасов ее в та-
ких редких элементах, как уран и торий, а за счет образо-
вания гелия из широко распространенного в природе водо-
рода. Достаточно сказать, что одного только дейтерия во
7 В. А. Михайлов 97
всех океанах, морях, озерах и реках земного шара содер-
жится почти 25 000 млрд г. А ведь каждый грамм гелия,
полученный из дейтерия, дает около 130 млн. ккал энергии.
Насколько велика эта энергия, можно видеть из такого
примера. Вода охлаждающей системы двигателя легковой
автомашины содержит около 0,2 г дейтерия. Если бы весь
этот дейтерий превратился в гелий, то выделившейся энер-
гии хватило бы для поездки на расстояние в 50 тыс. км,
то есть вполне хватило бы для кругосветного путешествия.
Осуществление управляемых термоядерных реакций яв-
ляется трудным делом, требующим привлечения новейших
достижений самых разнообразных областей физической
науки. Однако теоретические работы советских ученых по
атомной и ядерной физике открыли новый путь экспери-
ментальных исследований по управлению этими реакциями.
Советские ученые обратили внимание на то, что трудно-
сти в достижении сверхвысоких температур связаны не с ве-
личиной энергии, которую нужно сообщить разогреваемому
веществу (эта энергия невелика), а с необходимостью
устранить утечку тепла в окружающее пространство как в
процессе нагревания вещества, так и во время самой реак-
ции. Так, например, для нагрева изолированного от окру-
жающей среды 1 г дейтерия до 1 млн. градусов теоретиче-
ски требуется всего около 1700 ккал тепла, то есть в де-
сятки тысяч раз меньше, чем может затем выделиться за
счет термоядерной реакции в дейтерии. Однако фактически
необходимое для такого нагрева количество энергии во
много раз больше и к тому же чрезвычайно быстро возра-
стает с повышением температуры. Это обусловлено утечкой
тепла из разогреваемого вещества в окружающую среду.
Как устранить ее? При сравнительно невысоких темпера-
турах, которые должны быть пройдены в процессе нагрева-
ния вещества, утечка тепла определяется главным образом
столкновениями частиц разогреваемого вещества со стенками
сосуда (баллона), в котором вещество заключено. Поэтому
необходимо прежде всего изолировать нагреваемое веще-
ство от стенок сосуда. Так как при высоких температурах
вещество существует в виде электронно-ядерного газа
(плазмы), то задача теплоизоляции сводится к необходимо-
сти удерживать быстрые частицы плазмы внутри некоторого
объема вдали от стенок. Это необходимо осуществлять в
течение такого времени, которое достаточно для того,
чтобы заметная доля частиц успела соединиться между
собой.
98
Рис. 35. Одинаково направ-
ленные параллельные элек-
трические токи притяги-
ваются
На Солнце и звездах, имеющих огромную массу, ча-
стицы раскаленной плазмы удерживаются в определенном
объеме силами тяготения; именно поэтому термоядерные
реакции протекают в недрах этих светил на неизменном
уровне в течение миллиардов лет.
Чем заменить силы тяготения в лабораторных условиях,
когда масса разогреваемого вещества мала и поэтому со-
вершенно ничтожные силы тяго-
тения не могут оказывать такого
же действия? В 1950 г. академики
И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров пред-
ложили воспользоваться для теп-
лоизоляции плазмы магнитными
силами. Идея магнитной тепло-
изоляции, предложенная этими
учеными, основана в конечном
счете на простом физическом яв-
лении, заключающемся в том, что
одинаково направленные парал-
лельные токи притягиваются
(рис. 35). Поэтому, если через га-
зообразный дейтерий пропускать
электрический ток в несколько
сот тысяч ампер, то силы магнит-
ного поля, возникающего вокруг
тока, будут сжимать со всех сто-
рон отдельные нити тока к цен-
тральной его оси. Так как ток те-
чет в газе, то вместе с собой он
увлечет и частицы дейтерия, оття-
гивая плазму от стенок сосуда. Тем самым магнитное поле
создаст вокруг плазмы невидимую, но непроницаемую пре-
граду, которая не пропустит частицы к стенкам сосуда.
В результате теплообмен между быстрыми («нагретыми»)
частицами плазмы и холодными стенками резко умень-
шится, что и создаст благоприятные условия для достиже-
ния высоких температур. Нагревать вещество будет тоже
ток, который служит для создания магнитного поля.
Используя идею магнитной теплоизоляции плазмы, со-
ветские физики-экспериментаторы научились получать в ла-
бораторных условиях очень высокие температуры, превы-
шающие 1 млн. градусов. Более высокие температуры до-
стигнуты искусственным способом пока лишь при взрыве
атомных и водородных бомб.
7*
99
Работы советских ученых по изучению возможностей
осуществления управляемых термоядерных реакций далеко
опередили аналогичные исследования, ведущиеся в Англии
и США.
Однако это только первый шаг на пути овладения этими
реакциями. Много трудностей предстоит еще преодолеть,
чтобы создать термоядерный реактор (термоядерную
«печку») и сделать реакции, протекающие в нем, безопас-
ными и контролируемыми. Каким способом будут осуще-
ствлены управляемые термоядерные реакции, покажет буду-
щее.
Работая над проблемой управляемых термоядерных ре-
акций, физики одновременно ищут других путей для осуще-
ствления слияния легких ядер в более тяжелые. Один из
таких принципиально новых путей указан членом-корреспон-
дентом Академии наук СССР Я. Б. Зельдовичем, теоретиче-
ски обосновавшим еще в 1954 г. возможность ядерной ре-
акции синтеза нового типа, в результате которой образуется
гелий из водорода при обычной температуре. В конце
1956 г. реальность этого пути была подтверждена в предва-
рительном эксперименте американским физиком Альва-
рецом.
Это замечательное открытие явилось результатом целой
серии теоретических и экспериментальных исследований.
Его историю можно начать с 1936—1937 гг., когда в допол-
нение к известным нам частицам — электронам, протонам,
нейтронам, позитронам и нейтрино — физики открыли но-
вую «элементарную» частицу, получившую название
мезона (мезотрона). Масса мезона имеет величину, проме-
жуточную между массами легкого электрона и сравнительно
тяжелого протона. В 1946—1949 гг. на основании своих
опытов академик А. И. Алиханов и член-корреспондент
Академии наук СССР А. И. Алиханян пришли к заключе-
нию о существовании мезонов с различными массами. Так
оно и оказалось. К настоящему времени открыта целая се-
рия частиц такого типа, обозначаемых греческими бук-
вами: рь (мю), тс (пи), х (тау), & (тета) и т. д. Мезоны, от-
крытые в 1937 г., называют теперь мю-мезонами; их масса
превышает массу электрона примерно в 209 раз. Мезоны,
называемые пи-мезонами, имеют массу, равную приблизи-
тельно 300 электронным массам.
Заряд мезона равен заряду электрона и бывает как от-
рицательный, так и положительный. В 1950 г. советские фи-
зики П. И. Лукирский и А. П. Жданов открыли первые
100
нейтральные мезоны. Вое мезоны по своей природе неустой-
чивы (нестабильны) и самопроизвольно распадаются по-
добно радиоактивным атомам. Их время жизни очень мало
и составляет около 2 миллионных долей секунды
(2 • 10“6 сек.) для мю-мезонов и около 25 миллиардных долей
секунды (25- 10-9 сек.) для заряженных пи-мезонов.
Первоначально мезоны были открыты в космических лу-
чах, но теперь они получаются в лабораториях посредством
«бомбардировки» различных веществ (бериллия, углерода,
меди и т. д.) протонами и нейтронами больших скоростей.
Вскоре после открытия первых мезонов, в 1940 г., япон-
ские физики Томонага и Араки высказали предположение
о том, что отрицательные мезоны после остановки в веще-
стве могут захватываться электрическим полем какого-либо
ядра на близкую к нему орбиту и в течение некоторого вре-
мени могут вследствие этого вращаться вокруг ядра, обра-
зуя так называемый мезоатом. Мезоатом — это своеобраз-
ный атом, в котором вместо электронов или наряду с ними
вокруг положительно заряженного ядра вращаются отри-
цательные мезоны.
Мезоатом водорода, например, мезоводород, состоящий
из положительного ядра и вращающегося вокруг него одного
отрицательного мезона, внешне подобен обычному водо-
родному атому с одним электроном. Но в отличие от по-
следнего мезоатом обладает рядом специфических особен-
ностей. Первая и главная особенность — это близость ме-
зона к ядру: радиус орбиты мезона в сотни раз меньше ра-
диуса электронной орбиты. Отсюда вытекает вторая осо-
бенность — возможность захвата мезона ядром. Единствен-
ный электрон обычного водородного атома находится'срав-
нительно далеко от ядра и никогда не захватывается им.
Мезон же в мезоатоме может быть захвачен ядром раньше,
чем он испытает самопроизвольный распад. В тяжелых ме-
зоатомах, например, около половины своего времени жизни
мезон проводит внутри ядра.
В силу указанных свойств мезоны значительно лучше
экранируют своим отрицательным зарядом положительный
заряд ядра, чем это делают электроны. В мезоводороде,
например, отрицательный мезон может полностью нейтра-
лизовать заряд его единственного протона.
Существование мезоатомов подтверждено на опыте.
В 1952 г. установлено существование пи-мезоатомов, то есть
атомов с вращающимися вокруг ядра пи-мезонами, а в
1953 г. открыты мю-мезоатомы.
101
Серьезная не только теоретическая, но и возможная
практическая ценность изучения мезоатомов как раз и свя-
зана с идеей Я. Б. Зельдовича. Чтобы заставить ядра водо-
рода, преодолевая силы электрического отталкивания, по-
дойти близко друг к другу, необходимо, как мы знаем, ра-
зогнать их до огромных скоростей, повышая для этого тем-
пературу до многих миллионов градусов. При новом же ме-
тоде Зельдовича синтез ядер гелия возможен и при обычной
температуре, если вместо обычных атомов легкого и тяже-
лого водорода использовать мезоатомы этого элемента. От-
рицательный мезон нейтрализует в мезоводороде заряд про-
тона, вследствие чего ядра мезоводорода смогут сближаться
до соприкосновения и слияния и при обычной температуре.
Реальность такой реакции и была подтверждена на опыте
Альварецом.
— о —
• = 9
VI. ЯДЕРНОЕ ОРУЖИЕ
1. Общие принципы устройства ядерного оружия
D ыше рассказано о том, как происходят ядерные реакции,
которые могут быть использованы для получения ядер-
ной энергии. Таких реакций по существу две: цепная реак-
ция деления тяжелых ядер и реакция соединения легких
ядер (термоядерная реакция).
Цепная реакция деления в чистом уране 235, уране 233
или плутонии 239 происходит, как мы знаем, в виде взрыва,
при котором вся энергия выделяется в течение нескольких
микросекунд. Также в виде взрыва осуществляется пока и
термоядерная реакция с изотопами водорода. Такие взрывы
могут быть использованы в военном деле.
Оружие, действие которого основано на использовании
ядерной (атомной) энергии, называют ядерным или атом’
ны'м оружием. Различают два вида такого оружия: ядер-
ное оружие взрывного действия и боевые радиоактивные
вещества.
Применение ядерного оружия взрывного действия воз-
можно в виде атомных и водородных (термоядерных) бомб,
артиллерийских атомных и термоядерных снарядов, морских
торпед, управляемых самолетов-снарядов, межконтиненталь-
ных баллистических ракет и т. д.
Боевыми радиоактивными веществами называют спе
циально приготовленные для боевого использования радио-
активные вещества. Они могут применяться в виде жидко-
стей или порошков, которыми снаряжаются авиационные
бомбы и ракеты. Поражающее действие боевых радиоактив-
ных веществ основано на вредном влиянии радиоактивных
103
излучений на живые организмы. Этими веществами можно
заражать местность, различные предметы и воздух с целью
поражения людей.
Ядерное оружие по своему поражающему действию зна-
чительно превосходит обычные виды оружия. Это объяс-
няется не только тем, что сила ядерного взрыва превосхо-
дит обычный взрыв во много тысяч и миллионов раз, но
также и тем, что ядерное оружие, в отличие от обычного
оружия, обладает не одним, а несколькими поражающими
факторами.
Впервые ядерное оружие появилось в 1945 г. в авиации
в виде атомных бомб. Именно с помощью самолетов аме-
риканцы сбросили на мирное население японских городов
Хиросима и Нагасаки первые атомные бомбы. Дальнейшее
развитие ядерного оружия привело к появлению его в на-
земных войсках и на флоте. Ядерное оружие оказывает
огромное влияние на развитие всех родов войск и в особен-
ности авиации, которая является одним из основных носи-
телей этого оружия.
В основе всех видов ядерного оружия взрывного дейст-
вия лежат физические принципы, использованные впервые
при создании атомных и водородных бомб. Поэтому озна-
комление с этими бомбами позволит понять действие и дру-
гих видов этого оружия.
Рассмотрим общие принципы устройства атомной бомбы.
В кусках ядерного горючего с массой меньше критической
цепная реакция, как мы знаем, невозможна. Но если взять
несколько таких докритических кусков и быстро соединить
их в один кусок, чтобы получилась масса, превышающая
критическую, то в то же мгновение под действием одного из
блуждающих нейтронов начнется цепная реакция деления,
и произойдет взрыв.
Отсюда нетрудно понять устройство атомной бомбы,
принципиальная схема которой приведена на рис. 36.
Уран 235 или какое-либо другое ядерное взрывчатое веще-
ство (ядерное ВВ), ядра которого способны делиться под воз-
действием нейтронов, находится в бомбе в виде нескольких
докритических кусков. Масса каждого такого куска меньше
критической. В схеме, указанной в левой части рис. 36,
заряд ядерного ВВ состоит из двух частей, имеющих форму
полушарий.
В схеме, приведенной справа, ядерный заряд состоит из
трех частей: центральной неподвижной части в виде шара
с широким цилиндрическим каналом, внутрь которого могут
104
входить две другие подвижные части, размещенные внизу
и вверху. Форма частей такова, что после их соединения
получится компактный ядерный заряд в виде шара. Деление
заряда на три части дает возможность увеличить общую
величину заряда и, следовательно, повысить мощность
взрыва.
а б
Рис. 36. Принципиальная схема устройства
атомной бомбы (а — заряд разделен на две
части, б — заряд разделен на три части).
/ — заряд ядерного ВВ (атомный заряд); 2 — заряд
обычного ВВ; 3 — капсюль-детонатор; 4 — отражатель
нейтронов; 5 — взрывающее устройство дистанционного
или ударного действия; 6 — источник нейтронов; 7 —
пространство, из которого выкачан воздух; 8 — кор-
пус зарядной части бомбы
Чтобы вызвать взрыв, необходимо быстро соединить все
куски урана в единую компактную массу, превышающую
критическую. Для этой цели в бомбе имеется специальное
взрывающее устройство дистанционного, или ударного дей-
ствия 5, которое осуществляет в нужный момент времени с
помощью капсюлей-детонаторов 3 взрыв обычного взрывча-
того вещества 2. Силой этого взрыва все куски ядерного ВВ
быстро соединяются в один сверхкритический кусок, в ре-
зультате чего происходит ядерный взрыв. Чтобы большее
число вторичных нейтронов использовать для новых деле-
ний, ядерное ВВ в бомбе окружено отражателем нейтро-
105
нов 4, то есть слоем вещества, отражающего нейтроны, на-
правляющиеся за пределы заряда, обратно в зону ядерной
реакции. Отражатель нейтронов может быть сделан из гра-
фита или легкого металла бериллия. Применением его
удается значительно уменьшить критические размеры ядер-
ного заряда. Боевая часть бомбы (ядерный заряд, отража-
тель нейтронов и заряд обычного ВВ) заключается в проч-
ный металлический корпус, благодаря которому обращение
с бомбой безопасно. Кроме того, этот корпус задерживает
на некоторое время разлет продуктов цепной реакции, пре-
дохраняя части заряда ядерного ВВ от преждевременного
разбрасывания и способствуя тем самым лучшему его ис-
пользованию в реакции, отчего мощность взрыва бомбы
увеличивается.
Для обеспечения безотказности взрыва в нужный момент
времени в бомбу можно поместить один или несколько не-
больших источников нейтронов 6.
По данным иностранной печати возможны и другие кон-
струкции ядерного заряда бомбы. В одной из таких
конструкций сверхкритическая масса составляется заранее
на заводе, а для предохранения от преждевременного
взрыва заряда в него включается при сборке сильный по-
глотитель нейтронов в виде, например, кадмиевого стержня.
Наличие такого стержня-предохранителя препятствует раз-
витию цепной реакции деления. В нужный момент кадмие-
вый стержень быстро удаляется (выбивается) при помощи
взрыва заряда обычного ВВ, в результате чего немедленно
начинается цепная реакция и происходит ядерный взрыв.
Ядерный заряд того или иного устройства может быть
использован не только в авиационных атомных и водород-
ных бомбах, но и в артиллерийских снарядах, морских са-
модвижущихся торпедах, межконтинентальных ракетах
и т. д. Заряд с кадмиевым стержнем-предохранителем, име-
ющий минимальные размеры и вес, наиболее пригоден, по-
видимому, для артиллерийских снарядов.
Принцип устройства и характер поражающего действия
атомных бомб, снарядов и т. п. одинаков. Масштабы же
поражения зависят в основном от мощности взрыва.
Мощность атомного взрыва принято характеризовать
тротиловым эквивалентом, то есть весом тротилового за-
ряда, энергия взрыва которого равна энергии данного атом=
кого взрыва. В зависимости от мощности атомного заряда
атомные бомбы, снаряды делят на калибры: малый, сред
ний и крупный. Чтобы получить энергию, равную энергии
106
взрыва, например, атомной бомбы малого калибра, нужно
взорвать несколько тысяч тонн тротила. Если такое коли-
чество тротила уложить в виде куба, то высота его будет
равна высоте четырехэтажного дома. Тротиловый эквива-
лент атомной бомбы среднего калибра составляет десятки
тысяч, а бомбы крупного калибра — сотни тысяч тонн. Еще
большей мощностью могут обладать образцы термоядерного
(водородного) оружия. Их тротиловый эквивалент достигает
миллионов тонн. Такой тротиловый заряд, сложенный в
виде куба, по своим размерам сравним со зданием Москов-
ского университета на Ленинских горах, высота кото-
рого 254 м.
Таким образом, для приближенной оценки мощности
ядерного взрыва обычно пользуются так называемым тро-
тиловым эквивалентом, которым характеризуют также и ка-
либр бомбы. Тротиловый эквивалент атомной бомбы — это
масса (вес) такого заряда тротила (тола), при взрыве ко-
торого выделяется столько же энергии, сколько ее освобож-
дается при взрыве данной атомной бомбы. Тротиловый
эквивалент 1 кг урана 235 равнялся бы 20 тыс. т, если бы
все ядра делились при взрыве. Однако в действительности
он значительно меньше, так как в ходе реакции делится
только часть ядер, а остальные рассеиваются силой начав-
шегося взрыва, так и не успев поделиться.
Первые атомные бомбы, сброшенные американцами в
1945 г. на японские города Хиросима и Нагасаки, имели
тротиловый эквивалент, приблизительно равный 20 тыс. г,
хотя вес атомного заряда в них был около 50 кг. Следова-
тельно, 49 кг делящегося вещества оказалось неиспользо-
ванным.
Общий вес американских бомб 1945 г. составлял 4—10?.
Для доставки их к месту взрыва пришлось использовать тя-
желые самолеты-бомбардировщики типа В-29. Ядерным ВВ
в бомбе, сброшенной на Хиросима, служил уран 235, а в
бомбе, сброшенной на Нагасаки, — плутоний 239.
Последующее развитие ядерного оружия шло в направ-
лении и увеличения и уменьшения мощности атомных бомб
и одновременно в направлении создания других видов этого
оружия, таких, как водородная бомба, артиллерийские атохг
ные снаряды, ракеты и т. п.
В иностранной печати указывалось, что в настоящее
время имеется несколько типов атомных бомб, начиная с
так называемых «тактических» бомб с тротиловым эквива-
лентом в несколько тысяч тонн и кончая стратегическими
107
атомными бомбами большого калибра, тротиловый эквива-
лент которых достигает 500 тыс. т. Словом «тактические»
здесь выражают тот факт, что эти бомбы могут применяться
не только против населенных пунктов, но и против назем-
ных войск непосредственно на поле боя.
По данным иностранной печати, если для доставки к
цели первых атомных бомб требовались тяжелые самолеты-
бомбардировщики, то сейчас в качестве носителей некото-
рых типов атомных бомб могут использоваться истребители.
Атомные бомбы малого калибра, подвешенные на истреби-
телях, могут применяться не только для действий по назем-
ным целям, но- и в воздушном бою для уничтожения групп
самолетов противника, следующих в тесных боевых поряд-
ках. Бомбы среднего и крупного калибра могут быть исполь-
зованы для бомбардировки больших промышленных и ад-
министративных центров, портов, крупных аэродромов и
других важных стратегических целей.
Следует заметить, что увеличение мощности атомных
бомб после 1945 г. шло главным образом за счет повыше-
ния коэффициента использования ядерного ВВ, а не за счет
увеличения его количества. Чтобы больший процент ядер-
ного ВВ принял участие в цепной реакции, стали снабжать
бомбы очень прочной оболочкой, придавая ей, а также и са-
мому заряду ядерного ВВ наиболее выгодную форму.
Количество ядерного ВВ в современных атомных бом-
бах колеблется от нескольких килограммов до многих де-
сятков килограммов (в зависимости от калибра). Общий
вес таких бомб имеет величину от нескольких сот килограм-
мов до нескольких тонн. В качестве ядерного ВВ приме-
няется преимущественно плутоний 239, реже уран 233 и сов-
сем редко уран 235, производство которого значительно
дороже производства плутония.
Стремление увеличить мощность атомных бомб привело
к созданию водородной бомбы, к изучению которой мы и
перейдем.
Водородная бомба основана на использовании энергии,
выделяющейся в результате термоядерной реакции. Детона-
тором, или «зажигалкой», для термоядерного ВВ, которым
снаряжается водородная бомба, служит атомная бомба,
принципы устройства которой мы рассмотрели. Схема воз-
можного устройства простой водородной бомбьг приведена
на рис. 37. Внутри конструкции размещается боевая часть
атомной бомбы 1. Вокруг нее в плотной оболочке может
находиться первая часть заряда термоядерного ВВ в виде
108
смеси дейтерия и трития %. Дейтерий и тритий обычно при-
меняются в виде соответствующих соединений с другими
элементами. Наконец, вокруг всего этого размещается вто-
рая часть термоядерного заряда 5, содержащая большое
количество обычного водорода, дейтерия,
лития и других легких изотопов.
Схему развития взрыва водородной
бомбы можно представить себе следую-
щим образом. Начинается все с взрыва
атомного детонатора, ведущего к повы-
шению температуры на время порядка
микросекунд до нескольких десятков мил-
лионов градусов. Это начальный период.
Второй период — это «зажигание»
смеси дейтерия и трития. Реакция соеди-
нения дейтерия и трития воспринимает
инициирующее действие взрыва атомного
детонатора и ведет к дальнейшему повы-
шению температуры, чем обеспечивается
термоядерная реакция в остальной части
термоядерного ВВ.
Термоядерные реакции во второй ча-
сти термоядерного заряда, требующие бо-
лее высокой температуры, происходят в
третий период взрыва. Такими реакциями
могут быть реакция соединения ядер дей-
терия, ведущая к образованию трития,
чем поддерживается наличие его в горю-
чей смеси, а также реакции с различны-
ми изотопами лития. Таким образом, в
простейшей водородной бомбе исполь-
Рис. 37. Принципи-
альная схема уст-
ройства водородной
бомбы:
1 — атомный заряд с
взрывающим устрой-
ством; 2 — первая
часть термоядерного
заряда (дейтерий и
тритий); 3 — вторая
часть термоядерного
заряда (изотопы водо-
рода, лития и др.);
4 — корпус (оболочка)
бомбы
зуются две ядерные реакции: цепная ре-
акция деления взрывного типа и термоядерная реакция,
протекающая в форме теплового взрыва. Бомба называется
водородной, потому что главной (но отнюдь не единствен-
ной) составляющей частью ее заряда являются различные
изотопы водорода.
Мощность взрыва водородной бомбы может превосхо-
дить во много раз мощность взрыва атомной бомбы. По со-
общениям американской печати, тротиловый эквивалент во-
дородных устройств, взорванных в 1954 г. на острове Би-
кини, составлял миллионы тонн. Эти устройства весили не-
сколько десятков тонн и представляли собой громоздкие со-
оружения, смонтированные на земле. Советский Союз шел
109
впереди США в отношении создания водородйых бомб. Из-
вестно, например, что тротиловый эквивалент советской во-
дородной бомбы (именно бомбы, а не наземной специально
собранной установки), взорванной в 1955 г. в соответствии
с планом научно-исследовательской работы, составлял не-
сколько миллионов тонн. По сообщению ТАСС от 27 ноября
1955 г., взрыв этой бомбы был «наиболее мощным из всех,
какие только производились до настоящего времени». Чтобы
лучше представить себе, насколько велика мощность этого
взрыва, можно указать, например, что, по подсчетам немец-
ких ученых, суммарная мощность взрыва всех бомб, сбро-
шенных на территории Германии в течение всей второй ми-
ровой войны, равна приблизительно 1 млн. 350 тыс. т тро-
тила.
Мощность водородной бомбы можно существенно увели-
чить, если быстрые нейтроны, получающиеся в большом ко-
личестве при термоядерной реакции с водородом, исполь-
зовать для новой реакции деления. Как мы знаем, быстрые
нейтроны делят как ядра урана 235, так и ядра урана 238,
из которых состоит в основном обычный природный уран.
Если поэтому корпус водородной бомбы сделать из обыч-
ного урана, то при воздействии быстрых нейтронов ядра
этого урана будут делиться, освобождая соответствующую
энергию и увеличивая тем самым силу взры-ва. Мощность
такой водородно-урановой бомбы обусловлена уже не
двумя, а тремя ядерпыми реакциями: цепной реакцией де-
ления заряда ядерного ВВ, термоядерной реакцией смеси
изотопов водорода и реакцией деления ядер урана корпуса
бомбы.
При достаточной толщине урановой оболочки мощность,
выделяемая при делении ее ядер, оказывается весьма боль-
шой. В этом случае можно ограничиться небольшим коли-
чеством смеси дейтерия и трития, взрыв которой будет слу-
жить не столько для получения энергии (энергию даст уран
оболочки), сколько для образования достаточно мощного
потока нейтронов, вызывающих деление урана оболочки.
По сообщениям зарубежной печати, до 80% энергии
взрыва водородно-урановой бомбы получается за счет реак-
ции деления урана. Преимуществом такой бомбы является
также и то, что увеличение мощности достигается использо-
ванием относительно дешевого (по сравнению, например, с
дейтерием и тритием) вещества, каким является природный
уран.
110
В настоящее время, судя по опубликованным данйь!м за
границей, специалисты работают над созданием особо круп-
ных водородных бомб с тротиловым эквивалентом 40—
50 млн. т. Одновременно с увеличением мощности водород-
ных бомб работа идет и по пути уменьшения их калибра и
веса. По сведениям зарубежной печати, возможность созда-
ния водородных бомб малого калибра доказана испытани-
ями, проведенными в последние годы. Сообщается, что водо-
родные бомбы малого калибра могут быть использованы
для снаряжения зенитных управляемых снарядов, самоле-
тов-снарядов, летящих без пилота, и ракет.
2. Действие ядерных взрывов
Чтобы познакомить читателя с разнообразными дейст-
виями атомных и термоядерных (кратко ядерных) взры-
вов, рассмотрим сначала внешнюю картину такого взрыва.
Ядерный взрыв может быть произведен в воздухе, у по-
верхности земли (воды), а также в земле или воде. Взрыв,
произведенный в воздухе на высоте нескольких сот метров,
называется воздушным ядерным (атомным) взрывом. Взрыв,
который производится на поверхности земли (воды) или в
непосредственной близости от нее па высоте нескольких
десятков метров, называется наземным (надводным) взры-
вом. Наконец, ядерный взрыв, произведенный в земле
(воде), называется соответственно подземным или подвод-
ным взрывом.
Если ядерный взрыв происходит в воздухе, то вначале
наблюдается ослепительно яркая вспышка, освещающая
окружающую местность на десятки и даже сотни (в зави-
симости от калибра) километров и сопровождающаяся гро-
моподобными звуками. Вслед за этим в месте взрыва обра-
зуется светящийся огненный шар, также видимый на очень
большом расстоянии. Этот шар состоит из раскаленных
очень разреженных газов и паров, входящих в состав атмо-
сферного воздуха, и продуктов взрыва («осколков» деления
урана или плутония и элементов, входивших в конструкцию
самой бомбы).
Так как за время взрыва, измеряемое, как известно, не-
сколькими миллионными долями секунды, выделяется
огромное количество энергии, причем около 80% ее выде-
ляется в виде тепла, то максимальная температура внутри
шара достигает нескольких миллионов и даже десятков мил-
лионов градусов, а давление — многих миллиардов атмо-
сфер.
111
Диаметр огненного шара составляет десятки метров при
взрыве бомб малого и среднего калибра и достигает не-
скольких километров при взрыве водородных бомб большого
калибра. С течением времени размеры шара увеличиваются,
а температура понижается.
Для бомбы с тротиловым эквивалентом 20 тыс. т диа-
метр шара по истечении 0,0001 секунды составляет 25 м,
Рис. 38. Взрыв атомной бомбы
в воздухе. Видно грибовидное
облако, развивающееся при
взрыве
большого темного облака.
а температура его поверхно-
сти — примерно 300 тыс. гра-
дусов. Яркость его в это мгно-
вение при наблюдении с рас-
стояния в 9 км примерно в
100 раз больше, чем яркость
Солнца в ясный летний день.
Через несколько десятых долей
секунды диаметр шара дости-
гает нескольких сот метров, а
температура на его поверх-
ности — 7—8 тыс. градусов.
Имея плотность меньшую,
чем у окружающего воздуха,
светящийся шар поднимается
(«всплывает») вверх на вы-
соту 5—20 км и более, в зави-
симости от тротилового эквива-
лента бомбы. Вначале скорость
подъема велика и составляет
около 100 м/сек, затем она по-
степенно уменьшается. Через
несколько секунд, когда свече-
ние прекращается, поднимаю-
щийся шар принимает вид не-
Восходящие вслед за шаром
потоки воздуха увлекают вверх пыль и дым, образуя пыле-
вой столб. Облоко имеет характерную для ядерного взрыва
грибовидную форму. Внешняя картина воздушного взрыва
атомной бомбы приведена на рис. 38. Таковы же внешние
особенности и наземного взрыва.
Если атомная или водородная бомба взрывается в земле,
то внешний вид взрыва зависит от глубины, на которой он
производится. При взрыве бомбы на небольшой глубине
внешние особенности такого взрыва мало отличаются от на-
земного или воздушного взрыва. Основное отличие заклю-
чается в образовании огромной воронки глубиной несколько
112
десятков и диаметром несколько сот метров и выбросе боль-
шого количества грунта на расстояние до нескольких ки-
лометров.
При подводном взрыве, внешний вид которого приведен
на рис. 39, большое количество выброшенной воды образует
водяной столб, достигающий высоты 1—3 км. На поверх-
ности воды образуется волна, расходящаяся во все сто-
роны; высота ее на расстоянии 1 км от места взрыва бомбы
среднего калибра достигает 10 м.
Рис. 39. Взрыв атомной бомбы в воде. Видны столб воды и
облако взрыва в первый момент их образования. Заметные на
фотографии корабли-мишени позволяют судить о масштабах
взрыва
Какое же действие производят ядерные взрывы? Каковы
их поражающие факторы?
Резкое повышение давления в огненном шаре при его
образовании и последующем стремительном расширении
производит сжатие окружающего воздуха, которое распро-
страняется во все стороны со сверхзвуковой скоростью в
виде воздушной ударной волны. Ударная волна является
основным и самым мощным поражающим фактором ядер-
ного взрыва: она разрушает сооружения и здания, наносит
значительные повреждения боевой технике, имуществу и по-
ражения людям.
Действие ударной волны зависит от количества энергии,
8 В. А. Михайлов
113
выделяющейся при взрыве, и времени, в течение которого
эта энергия выделяется. Чем больше энергия и чем короче
это время, тем сильнее действует ударная волна. При ядер-
ном взрыве колоссальное количество энергии выделяется за
несколько миллионных долей секунды, причем почти 50%
этой энергии переносится ударной волной. Взрыв же обыч-
ной авиационной бомбы, дающий значительно меньше энер-
гии, протекает в течение нескольких тысячных и даже со-
тых долей секунды. Отсюда становится понятным, почему
разрушающее действие ядерного взрыва значительно пре-
восходит действие взрыва обычного взрывчатого вещества.
Установлено, что воздушная ударная волна может раз-
рушать здания и технику, наносит тяжелые поражения лю-
дям, если избыточное давление в волне превышает
0,5 кг! см2. На каком же удалении от места ядерного взрыва
наблюдается такое действие? Имеющиеся по этому вопросу
в печати сведения весьма разноречивы. Это объясняется
главным образом тем, что, помимо калибра бомбы, действие
ударной волны, как и других поражающих факторов ядер-
ного взрыва, сильно зависит от местных условий (рельефа
местности, характера зданий и техники, времени года, по-
годы и т. п.), которые могут быть весьма разнообразными
и не всегда учитываются. Если, например, взрыв происхо-
дит на сильно пересеченной местности, то на обратных ска-
тах, обращенных в противоположную сторону от взрыва,
степень разрушения сооружений и поражения людей будет
меньше, чем на прямых скатах, обращенных в сторону
взрыва. Поэтому цифры, приводимые ниже (взятые из ино-
странной печати), следует рассматривать как примерные,
весьма ориентировочные.
При воздушном взрыве атомной бомбы среднего ка-
либра (высота взрыва 600 — 700 м над поверхностью зем-
ли) тяжелые разрушения от действия ударной волны на-
блюдаются на расстоянии до 1,2 км от эпицентра взрыва1.
Площадь зоны тяжелых разрушений составляет около
4,5 км2. Внутри этой зоны могут быть разрушены кирпич-
ные и каменные здания, самолеты, специальные и транс-
портные автомашины и т. п. Предполагается, что до 80%
людского состава, находящегося в этой зоне вне укрытий,
будет выведено из строя. Тяжелые разрушения у самолетов,
1 Эпицентром взрыва называется точка на поверхности земли, над
которой произведен взрыв.
114
находящихся на земле, могут наблюдаться на расстоянии
до 1,6 км от эпицентра взрыва. Деревянные здания барач-
ного типа разрушаются на расстоянии до 1,8 км.
Значительные разрушения могут наблюдаться на рас-
стоянии до 2,2—2,4 км и легкие — на расстоянии до
3,3 км от эпицентра. Что касается поражения людей, то в
зоне значительных разрушений может быть выведено до
60% людского состава, находящегося вне укрытий, а в зоне
легких разрушений — до 20%. При этом следует иметь в
виду, что, помимо прямого (непосредственного) действия,
ударная волна ядерного взрыва оказывает на людей еще
косвенное действие, когда люди поражаются обломками
разрушающихся зданий и летящих под влиянием ударной
волны предметов. По данным иностранной печати, при
атомном взрыве в г. Хиросима до 50% смертельных ране-
ний было вызвано действием ударной волны, причем основ-
ную роль здесь играло косвенное воздействие этой волны.
Приведенные выше данные относятся к бомбе с троти-
ловым эквивалентом 20 тыс. т. При увеличении калибра
бомбы радиус поражения тех же объектов соответственно
увеличивается. Так, по данным немецких ученых, радиус
зоны тяжелых разрушений от взрыва водородной бомбы с
тротиловым эквивалентом 45 млн. т может составить около
16 км. При этом следует иметь в виду, что если водородная
бомба превосходит по мощности атомную бомбу, например,
в 1000 раз, то радиус разрушительного действия ее будет
больше не в 1000, а лишь в 10 раз. Это объясняется тем,
что радиус действия ударной волны взрыва растет пропор-
ционально корню кубическому из энергии взрыва.
Наземный ядерный взрыв по действию его ударной волны
приближается к воздушному взрыву. Что касается подзем-
ного ядерного взрыва, то здесь имеется отличие; подземный
взрыв является источником двух ударных волн: сейсмиче-
ской волны, распространяющейся в земле и подобной тем
упругим сейсмическим волнам, которые распространяются в
земной коре при землетрясениях, и воздушной ударной
волны. Сейсмическая ударная волна, образующаяся при
подземном взрыве атомной бомбы с тротиловым эквивален-
том 20 тыс. г, причиняет тяжелые разрушения капитальным
зданиям в зоне радиусом 1 км. Радиус зоны разрушения
воздушной ударной волны в этом случае примерно в 2 раза
меньше, чем при воздушном взрыве.
Мы познакомились с действием ударной волны, являю-
щейся первым и основным поражающим фактором ядерного
8*
115
взрыва. Мощное световое излучение, источником которого
служит огненный шар, является вторым поражающим фак-
тором этого взрыва. Благодаря высокой температуре шара
около 33% всей энергии ядерного взрыва превращается в
энергию светового излучения, которое продолжается всего
лишь несколько секунд. Но оно настолько сильное, что не-
смотря на кратковременность действия, может вызвать
ожоги открытых участков тела и временное ослепление,
если смотреть в сторону взрыва. Ожоги световым излу-
чением не отличаются от ожогов огнем или кипятком.
Они тем сильнее, чем меньше расстояние от центра взрыва
и больше время воздействия светового излучения. Световое
излучение может зажигать или обугливать и оплавлять
многие материалы. Таким образом; световое излучение спо-
собно поражать людской состав и наносить повреждения
боевой технике и разному имуществу, усиливая тем самым
действие ударной волны взрыва.
Ожоги кожи возникают обычно на незащищенных частях
тела, обращенных в сторону взрыва. По сведениям зару-
бежной печати, световое излучение воздушного взрыва атом-
ной бомбы с тротиловым эквивалентом 20 тыс. т способно
вызывать ожоги 3 степени (тяжелые ожоги) у незащищен-
ных людей на расстоянии до 1,9 км, ожоги 2 степени — на
расстоянии до 2,7 км и ожоги 1 степени (легкие ожоги) —
на расстоянии до 3,2 км. С увеличением калибра бомбы ра-
диус поражения световым излучением при достаточно чи-
стом (прозрачном) воздухе возрастает приблизительно про-
порционально корню квадратному из энергии взрыва.
Поражающее действие светового излучения сильно за-
висит от прозрачности (чистоты) атмосферы. Дело в том,
что свет, проходя через атмосферный воздух, ослабляется
вследствие рассеяния и поглощения его. Наличие в воздухе
пыли, дыма, частиц воды в виде тумана или облаков уве-
личивает это ослабление. Поэтому, например, туман или
низкая слоистая облачность могут значительно ослабить
поражающее действие светового излучения ядерного
взрыва.
При наземном взрыве поражающее действие светового
излучения несколько меньше, чем при воздушном взрыве.
Это объясняется тем, что пыль, поднимаемая взрывом, уве-
личивает поглощение и рассеяние света.
Кроме ударной волны и светового излучения, ядерный
взрыв сопровождается еще радиоактивным излучением и
116
испусканием нейтронов. Радиоактивное излучение, состоя-
щее из бета- и гамма-лучей, испускается «осколками» де-
ления, а также за счет искусственной радиоактивности ве-
ществ окружающей среды, возбуждаемой нейтронами.
Бета-лучи быстро поглощаются атмосферным воздухом и
большой роли в поражающем действии ядерного взрыва не
играют. Потоки гамма-лучей и нейтронов, обладающие боль-
шой проникающей способностью, составляют проникающую
радиацию ядерного взрыва, на долю которой приходится
несколько меньше 17% всей энергии, которая выделяется
при взрыве.
Проникающая радиация оказывает вредное биологиче-
ское действие на людей и при достаточно большой дозе мо-
жет вызывать лучевую болезнь. Большие дозы проникаю-
щей радиации вызывают потемнение стекла оптических при-
боров, засвечивают фотопленку и фотобумагу. На боевую
технику проникающая радиация не оказывает вредного
влияния.
Проникающая радиация представляет собой третий по-
ражающий фактор ядерного взрыва, имеющий в сравнении
с ударной волной и световым излучением меньшее значе-
ние. Поражающее действие проникающей радиации наблю-
дается в течение примерно 10—15 секунд, причем нейтроны,
входящие в состав проникающей радиации, действуют
лишь несколько десятых долей секунды после взрыва. За
это короткое время половина людского состава, находяще-
гося вне укрытий на расстоянии 1,2 км от эпицентра воз-
душного взрыва бомбы с тротиловым эквивалентом 20 тыс. т,
может получить опасные для жизни дозы радиации.
Наземный взрыв по действию его проникающей радиа-
ции приближается к воздушному взрыву. При подземном
взрыве проникающая радиация будет значительно слабее,
чем при воздушном взрыве. Особенность подземного взрыва
состоит в том, что земля, выброшенная из воронки, оказы-
вается сильно радиоактивной и заражает значительный район
вокруг места взрыва. При взрыве бомбы с тротиловым
эквивалентом 20 тыс. т радиус зоны заражения может до-
стигать 6,5 км при скорости ветра 9 м^сек, а в противопо-
ложном направлении— 1,2 км. При наземном взрыве также
образуется воронка и тоже происходит заражение местно-
сти, но только в значительно меньших размерах.
Радиоактивное заражение местности происходит и при
воздушном ядерном взрыве. Дело в том, что при этом
117
взрыве в атмосферу вносится в виде пыли большое коли-
чество радиоактивных веществ. Это — главным образом про-
дукты деления («осколки») урана и плутония и частично
вещества, радиоактивность которых наведена действием из-
лучений самого взрыва; встречается также плутоний 239,
не разделившийся при взрыве. Эта радиоактивная пыль вы-
падает затем на землю в виде радиоактивных осадков, за-
ражая местность как в районе взрыва, так и по пути дви-
жения облака, образующегося при взрыве. В дополнение к
осадкам некоторое количество радиоактивных веществ в
почве и воде в районе взрыва получается под действием
нейтронов.
Радиоактивные вещества являются, как мы знаем, источ-
ником радиоактивных лучей, которые, как и проникающая
радиация, вредно действуют на людей. Помимо внешнего
облучения, эти радиоактивные вещества могут представлять
опасность при попадании внутрь организма. Поэтому радио-
активные осадки, сопровождающие ядерный взрыв, пред-
ставляют собой четвертый поражающий фактор этого
взрыва.
Таким образом, ядерный взрыв имеет четыре совместно
действующих поражающих фактора: ударную волну, све-
товое излучение, проникающую радиацию и радиоактивные
осадки. В силу этого ядерное оружие в отличие от обычного
оружия обладает комбинированным поражающим дейст-
вием. Исходя из этого и строится противоатомная защита,
то есть защита людей и техники от действия ядерного
оружия.
Основным средством защиты являются специально обо-
рудованные в земле укрытия. Даже обычный окоп полного
профиля может спасти людей от ожогов, вызываемых све-
товым излучением, значительно ослабить поражение прони-
кающей радиацией и уменьшить действие ударной волны
примерно в 4 раза. Действие атомной бомбы с тротиловым
эквивалентом 20 тыс. т на людей, находящихся в окопах
или траншеях полного профиля, наблюдается лишь вблизи
от эпицентра взрыва: на расстоянии до 700—750 м от удар-
ной волны, до 400 м — от светового излучения и до 550 м —
от проникающей радиации. Таким образом, старая пого-
ворка «Окоп — лучший друг солдата» остается в силе и в
век ядерного оружия.
Закрытые убежища даже легкого типа предохраняют
полностью войска от поражения световым излучением; ра*
118
диус поражения ударной волной уменьшается до 400 м\ сте-
пень поражения проникающей радиацией уменьшается в за-
висимости от толщины покрытия убежиша. Еще более на-
дежным укрытием для людей и техники служат дерево-зем-
ляные сооружения противовоздушной обороны, построенные
с учетом требований противоатомной защиты.
Свойства ядерного оружия в настоящее время хорошо
изучены, разработка средств зашиты от его действий далеко
шагнула вперед. Защита от ядерного оружия, обладающего
комбинированным действием, требует принятия специальных
мер против воздействия ударной волны, светового излуче-
ния и проникающей радиации. При этом не следует только
забывать, что разные поражающие факторы ядерного
взрыва действуют в течение разных промежутков времени.
Световое излучение распределяется с очень большой ско-
ростью, равной 300 000 км/сек,. Поэтому вспышка ядерного
взрыва видна в момент самого взрыва. Все незащищенные
объекты подвергаются воздействию светового излучения в
течение 2—3 секунд после взрыва. Гамма-лучи, являю-
щиеся основной составной частью проникающей радиации,
распространяются также со скоростью света и действуют
сразу же после взрыва в течение примерно 10—15 сек. На-
конец, ударная волна, распространяясь со сверхзвуковой
скоростью, проходит километр за 2 сек., два километра —
за 5 сек., три километра — за 8 сек. Таким образом, на-
ходясь вне укрытия и увидев вспышку ядерного взрыва,
можно еще быстро (за 2—3 сек.) укрыться в щели, тран-
шее, придорожном кювете или воронке от снаряда или
бомбы, находящихся в двух—трех шагах. Тем самым доза
проникающей радиации и воздействие ударной волны будут
значительно уменьшены. Пусть, например, человек нахо-
дился на расстоянии 2 км от места взрыва, когда увидел
его вспышку. Если он сразу же укроется в рядом находя-
щейся воронке, то ударная волна, пробегающая 2 км за
5 сек., достигнет его местонахождения, когда он будет уже
в укрытии.
В этой книжке, посвященной физическим основам полу-
чения ядерной энергии, не представляется возможным под-
робно останавливаться на вопросах противоатомной защиты.
Однако уже те примеры, которые приведены выше, показы-
вают, что воины, знающие свойства ядерного оружия и хо-
рошо подготовленные к действиям в условиях его примене-
ния, могут успешно выполнять свою боевую задачу.
119
3. Радиоактивное загрязнение атмосферы
Представления читателя о действии ядерного оружия не
будут полными, если не рассказать о том радиоактивном
заражении земной атмосферы, которое вызывают ядерные
взрывы.
Исследования последних лет показывают, что общее ко-
личество радиоактивных продуктов деления, распыляемых
при ядерном взрыве в атмосфере, весьма велико. Особенно
много их получается при взрыве водородно-урановых бомб.
По данным зарубежной печати, полная активность продук-
тов деления атомной бомбы среднего калибра через одну
минуту после взрыва достигает огромной величины, а
именно 8-Ю11 кюри. Первое время после взрыва актив-
ность продуктов деления уменьшается быстро, так как боль-
шинство осколков имеет малый период полураспада и по-
этому быстро «выходит из игры». К концу первого месяца
активность продуктов деления уменьшается в несколько сот
тысяч раз. В дальнейшем активность убывает медленнее,
так как остаются долгоживущие изотопы с большим перио-
дом полураспада.
Радиоактивная пыль поднимается взрывом на высоту
более 30 км, после чего начинает постепенно оседать. Круп-
ные частицы (100 микрон и более) опускаются сравни-
тельно быстро и оседают в районе самого взрыва, заражая
местность на площади в несколько квадратных километров.
Мелкие частицы оседают медленнее. Подсчитано, что ча-
стицы с плотностью вещества 3 г!смг, имеющие диаметр
около 1 микрона, опускаются за одну минуту всего на
0,6 см. При столь медленном оседании мельчайшая радио-
активная пыль уносится воздушными течениями, простира-
ющимися над всей землей, и может выпадать на землю в
виде радиоактивных осадков в любом месте земного шара.
Существование радиоактивных осадков, выпадающих да-
леко от места взрыва, стало известно в результате траги-
ческого случая, последовавшего за проведенными США
1 марта 1954 г. испытаниями водородных зарядов в Тихом
океане. Вследствие перемены направления ветра несколько
японских рыбаков, находившихся на расстоянии 75 миль от
места испытаний, попали под радиоактивные осадки, выз-
вавшие у них тяжелую лучевую болезнь со смертельным
исходом в одном случае.
К настоящему времени выяснено, что радиоактивные ве-
щества, обязанные своим происхождением ядерным взрывам,
120
перемещаются в атмосфере вокруг земного шара, создавая
на высоте 8—12 км активный слой, состоящий главным
образом из долгоживущих изотопов стронция 90, церия 144,
цезия 137 и плутония 239. Заражение (или загрязнение)
атмосферы радиоактивными веществами характеризуется
концентрацией активности в воздухе, то есть количеством
этих веществ, содержащихся в одном кубическом санти-
метре воздуха.
Средняя концентрация активности атмосферного воз-
духа, вызванная ядерным взрывом, крайне мала и абсо-
лютно безопасна. Если, например, продукты деления не-
большой атомной бомбы, обладающие общей активностью
5 млн. кюри, распределятся равномерно вокруг всей
Земли в слое воздуха толщиной 10 км, то концентрация ра-
диоактивности составит всего около 10-18 кюри на 1 см3.
Это значительно меньше естественной активности воздуха
(10-7 кюри на 1 см3), которая обусловлена содержанием в
нем радиоактивного газа — радона и продуктов его распада.
Радон попадает в атмосферу в результате естественного са-
мопроизвольного распада радия, имеющегося в земле. Срав-
нение цифр (10-18 и 10~7) показывает, что средняя концен-
трация активности атмосферного воздуха от одного ядер-
ного взрыва в сотни миллиардов раз меньше его естествен-
ной активности. Следует, однако, учитывать, что распреде-
ление продуктов деления в атмосфере вокруг Земли не яв-
ляется в действительности равномерным и к тому же в ре-
зультате испытаний атомных и водородных бомб, проводи-
мых в настоящее время, происходит накопление в атмосфере
и почве долгоживущих «осколков» деления. Отсюда видно,
что возможность выпадения радиоактивных осадков не
исключена в любом месте земного шара. Установлено, что
в результате испытательных взрывов водородных бомб на
островах Тихого океана радиоактивные осадки выпадают не
только в Индии или Японии, но и в Англии, Франции и дру-
гих странах. Чаще всего радиоактивные вещества выпа-
дают из атмосферы на землю с дождем и снегом. Вот по-
чему в настоящее время во многих странах организованы
регулярные наблюдения за радиоактивным загрязнением
атмосферы и почвы. Сеть пунктов наблюдения организо-
вана также и в Советском Союзе.
Ядерные взрывы могут представлять опасность для здо-
ровья людей, находящихся за многие тысячи километров от
района взрывов.
121
Из всех радиоактивных продуктов деления, загрязняю-
щих атмосферу и почву, наибольшую опасность представ-
ляет стронций 90, период полураспада которого свыше
20 лет, и цезий 137, у которого период полураспада равен
примерно 33 годам.
Проникая в организм человека и животных, стронций
концентрируется в костях, вызывая возникновение злока-
чественных образований — костных сарком и белокровия.
Стронций может попадать в организм с воздухом, которым
мы дышим, а также с водой и пищей. Дело в том, что строн-
ций, находящийся в почве, хорошо усваивается растениями,
вместе с которыми поедается животными и человеком.
Часть стронция, попавшего в организм животного (в част-
ности коров), выделяется с молоком и вместе с ним также
может попадать внутрь человека.
Радиоактивный изотоп цезий 137 тоже заражает атмо-
сферу и почву. При своем распаде он испускает гамма-лучи,
увеличивая тем самым естественное радиоактивное излуче-
ние атмосферы и земли. Энергия гамма-лучей поглощается
телом человека и животных и может вызвать, как мы уже
знаем, существенные изменения во всех тканях и органах.
На основании изучения последствий атомных взрывов
1945 г. в городах Хиросима и Нагасаки и данных лабора-
торных экспериментов над животными ученые высказывают
достаточно обоснованное предположение о том, что даже
незначительные изменения, вызываемые гамма-излучением в
живом организме, могут передаваться по наследству.
В настоящее время мировое общественное мнение испы-
тывает глубокое и законное беспокойство в связи с опас-
ностью, которую несут с собой испытания ядерного оружия.
Хотя последствия таких испытаний изучены еще не доста-
точно, однако уже теперь виднейшие ученые мира преду-
преждают о том, что дальнейшее продолжение таких испы-
таний создает угрозу для здоровья людей.
4. Обнаружение ядерных взрывов на больших расстояниях
Проводимые в настоящее время испытания ядерного ору-
жия способны в случае их продолжения заметно увеличить
радиоактивное загрязнение атмосферы и почвы. Если эти
испытания не прекратить, то со временем концентрация ак-
тивности в воздухе может достичь величины, опасной для
здоровья населения всего земного Шара. Вот почему народы
122
всего мира единодушны в своем требовании о прекращении
испытаний ядерного оружия.
Из трех великих держав (США, СССР, Англия), произ-
водящих испытания атомных и водородных бомб, только
Советское государство последовательно и настойчиво бо-
рется за прекращение гонки ядерных вооружений, за без-
оговорочное запрещение ядерного оружия, за прекращение
его производства и уничтожение его запасов. Однако США
и Англия под всякими предлогами уклоняются от достиже-
ния соглашения по этим жизненно важным для народов во-
просам.
Поскольку достижение соглашения оказалось пока не-
возможным, Советское правительство в качестве первого
шага к запрещению ядерного оружия предложило немедлен-
ное прекращение испытаний этого оружия. Правительства
Индии, Швеции и ряда других стран также потребовали
прекращения атомных испытаний. Японский народ, который
первым ощутил последствия атомной войны и испытаний
ядерного оружия, единодушно требует прекращения этих
испытаний. Прекращения атомных испытаний и немедлен-
ного соглашения о приостановке этих испытаний потребовал
Всемирный Совет Мира в своем Берлинском воззвании от
2 апреля 1957 г., решительно поддержанном народами всех
стран.
Большое значение в этом отношении имеют заявления,
сделанные знаменитым французским физиком Ф. Жолио-
Кюри, учеными Западной Германии, Японии и ряда универ-
ситетов США, к мнению которых присоединили свой голос
ученые многих стран.
Советский народ решительно поддерживает позицию Со-
ветского правительства в вопросе о немедленном прекраще-
нии испытаний ядерного оружия. Новым выражением мир-
ной политики Советского Союза явилось обращение седьмой
сессии Верховного Совета СССР, состоявшейся в мае 1957 г.,
к конгрессу США и парламенту Великобритании. В этом
обращении, исполненном серьезной тревоги за судьбы чело-
вечества, Верховный Совет призвал высшие законодатель-
ные органы этих двух государств содействовать достиже-
нию соглашения между правительствами СССР, США и Ве-
ликобритании о немедленном прекращении испытаний ядер-
ного оружия. Мирная инициатива Верховного Совета СССР
нашла широкий отклик у всех народов земли.
Однако правящие круги США и Англии, заинтересован-
ные в продолжении гонки вооружений, препятствуют дости-
123
жению соглашения о прекращении или хотя бы о приоста-
новке ядерных испытаний. Некоторые политические деятели
капиталистического мира, выступая за продолжение ядер-
ных испытаний, заявляют о возможности якобы тайного
проведения этих испытаний. Подобные заявления лишены
оснований и опровергаются практикой современного физиче-
ского эксперимента.
Ядерный взрыв, произведенный в любом месте, на тер-
ритории любого, даже самого обширного государства, не мо-
жет в настоящее время остаться в тайне, а будет безоши-
бочно зарегистрирован далеко за пределами этого государ-
ства. Для этого могут быть использованы и используются
следующие дополняющие друг друга способы:
1) регистрация сейсмических волн, возбуждаемых в зем-
ной коре ядерными взрывами;
2) регистрация упругих волн, распространяющихся в
атмосферном воздухе на большие расстояния от места
взрыва;
3) определение радиоактивности выпадающих атмосфер-
ных осадков (дождя и снега);
4) определение концентрации активности воздуха на
разных высотах.
Все эти способы в совокупности дают возможность без-
ошибочно установить факт проведения ядерного взрыва и,
кроме того, определить с достаточной точностью место и
силу взрыва и даже тип бомбы.
Таким образом, советские предложения о немедленнОхЧ
запрещении испытаний ядерного оружия поддаются конт-
ролю, они не связаны с какими-либо сложными организа-
ционными мероприятиями и вполне осуществимы.
Пытаясь дезориентировать народные массы, требующие
прекращения испытаний ядерных бомб, американские
«атомные» мракобесы, прикрывающиеся иногда ученым зва-
нием, утверждают, что может быть создана, или даже уже
почти создана, так называемая «чистая» водородная бомба,
взрывы которой будто бы не оставят радиоактивной пыли,
загрязняющей атмосферу, и поэтому не будут угрожать здо-
ровью населения земного шара. Группу пропагандистов этой
«чистой» бомбы возглавляет руководитель радиологической
лаборатории Калифорнийского университета в Беркли про-
фессор Эдуард Теллер, давно уже воспевающий в своих
статьях и «научных исследованиях» планы атомной агрес-
сии.
124
Теллеровекую легенду о «чистой» водородной бомбе
охотно подхватили ответственные руководители как в Со-
единенных Штатах, так и в Англии. Но она вызвала возму-
щение в прогрессивных кругах. Достойную отповедь дает ей
американский журнал «Сатердей ревью оф литератур». «Мы
говорим, — пишет этот журнал, — о «чистых» водородных
бомбах так, будто мы имеем в виду высшую цель мораль-
ного совершенствования. Каким чудовищным воображением
нужно обладать, чтобы связать слово «чистый» с устрой-
ством, которое может воспламенить города и превратить в
пепел миллионы людей!».
«Чистые» и «нечистые» атомщики всячески стараются
помешать решению в ООН вопроса о разоружении и запре-
щении атомного оружия. Американские, а вслед за ними и
английские империалисты встречают в штыки неоднократно
предлагаемую Советским правительством четкую, ясную
и реальную программу прекращения испытаний ядерного
оружия, программу, открывающую возможность соглаше-
ния о запрещении этого оружия.
— О —
® —----- • 9 *---- 9 ----
VII. ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ
1. Общие сведения
Для получения ядерной энергии как источника тепловой,
механической и электрической энергии необходимо,
чтобы энергия выделялась постепенно с регулируемой по же-
ланию мощностью.
Однако чистый уран 235 или плутоний 239, используемый
в атомной бомбе, не годится в качестве ядерного горючего
для этой цели, так как цепная реакция, осуществляемая в
нем на быстрых вторичных нейтронах, протекает в виде
взрыва.
Посмотрим, как ведет себя в этом отношении природный
уран. Блуждающие (свободные) нейтроны, необходимые
для начала ядерной реакции, всегда найдутся, если только
взять кусок урана достаточно больших размеров. Нейтроны
возникают главным образом за счет самопроизвольного де-
ления ядер урана. Например, в куске урана массой 1 кг в
каждую секунду происходит около 6—7 делений, в резуль-
тате чего ежесекундно возникает 15—18 быстрых свобод-
ных нейтронов. Кроме того, небольшое число таких нейтро-
нов может возникать под действием космического излуче-
ния. Энергия быстрых нейтронов (2 Мэв) вполне достаточна
для деления ядер как урана 235, так и урана 238, входя-
щих в состав природного урана.
Однако, несмотря на эти, казалось бы, благоприятные
условия, цепная реакция в куске природного урана сколь
угодно большой величины не «зажигается», если не принять
некоторых дополнительных мер. Дело в том, что быстрые
нейтроны уже после нескольких столкновений с ядрами те-
ряют скорость и перестают делить ядра урана 238. Поэтому
126
цепная реакция в уране может идти только за счет ядер
урана 235, которые делятся как быстрыми, так и медлен-
ными (тепловыми) нейтронами. Но урана 235 содержится
в природном уране всего только 0,7%. Поэтому нейтроны
сталкиваются чаще с ядрами урана 238 и в большинстве
своем поглощаются ими без последующего деления.
Нельзя ли все же сделать так, чтобы цепная реакция в
природном уране стала возможной? Оказывается, можно и
притом двумя способами.
Первый способ связан с использованием замедленных
нейтронов. Физические основы его следующие. Ядра
урана 235 делятся любыми нейтронами, причем медленными
даже лучше, чем быстрыми. Лхедленные же нейтроны не за-
хватываются ураном 238 и не вызывают деления его ядер.
Поэтому, если нейтроны, возникающие при делении, замед-
лять раньше, чем они будут сталкиваться с ядрами
урана 238, то цепная реакция станет возможной.
Для этого необходимо блоки урана в виде кирпичиков
или стержней расположить вперемежку со слоями какого-
либо легкого вещества, при столкновении с ядрами которого
нейтроны замедляются (но не поглощаются). Д4едленные
нейтроны в большинстве своем будут двигаться в природ-
ном уране до тех пор, пока не столкнутся с ядром урана 235
и не произведут его деление. При этих условиях медленные
нейтроны обеспечат развитие цепной реакции деления
урана 235, несмотря на то, что этого изотопа в уране содер-
жится почти в 140 раз меньше, чем основного изотопа 238.
Те же нейтроны, которые все же будут поглощены ура-
ном 238, вызовут превращение его в плутоний 239. Схема
цепной реакции с замедлителем в природном уране приве-
дена на рис. 40.
В качестве замедлителя нейтронов применяют на прак-
тике тяжелую воду, легкий металл — бериллий или, нако-
нец, графит. Замедление является результатом упругих
столкновений нейтронов с ядрами атомов замедлителя. Ней-
троны и ядра замедлителя ведут себя в этих столкновениях,
как упругие биллиардные шары. В случае центрального (ло-
бового) удара движущийся биллиардный шар, столкнув-
шись с неподвижным шаром, останавливается, то есть за-
медляется полностью. При косых соударениях, которые чаще
имеют место, шары замедляются только частично и после
удара не останавливаются, а движутся, но с меньшей ско-
ростью. Таким образом, движущийся биллиардный шар
всегда замедляется, то есть всегда теряет часть своей энер-
127
гии (скорости) прй соударениях с неподвижным шаром.
Аналогично этому ведут себя и нейтроны. После ряда упру-
гих столкновений с ядрами замедлителя, которые можно
считать неподвижными, быстрый нейтрон теряет значитель-
ную часть своей энергии (скорости) и становится медлен-
ным, скорость его движения сравнивается со скоростью теп-
лового движения частиц окружающей среды.
Рис. 40. Схема цепной реакции с замедли-
телем нейтронов в природном уране
В механике доказывается, что при упругом соударении
двух шаров наибольшая потеря энергии будет в случае,
когда массы шаров равны. Этот закон применим и к нейтро-
нам с тем только отличием, что шары не могут поглотить
друг друга, а с нейтроном пои соударении с ядром такое
может случиться. Обыкновенная вода, содержащая водород,
ядра которого (протоны) имеют массу, приблизительно рав-
ную массе нейтрона, была бы наилучшим замедлителем,
если бы не поглощала нейтронов. Всего 18 столкновений с
128
протонами требуется в среднем быстрому нейтрону, чтобы
стать медленным. К сожалению, протоны поглощают часть
сталкивающихся с ними нейтронов, снижая тем самым коэф-
фициент их размножения и скорость развития цепной реак-
ции.
Практически лучшим замедлителем является тяжелая
вода, в состав которой входит тяжелый водород — дейтерий.
Ядра дейтерия (дейтроны) в 2 раза тяжелее нейтронов.
Поэтому число' столкновений с дейтронами, которое должен
в среднем испытать быстрый нейтрон, чтобы скорость его
уменьшилась до тепловой, составляет в средне?^ 25, а не 18,
как у обычного водорода. Некоторое увеличение числа не-
обходимых столкновений с лихвой компенсируется тем, что
дейтроны совсем не поглощают нейтронов.
Несколько хуже по своим замедляющим свойствам бе-
риллий и графит (углерод). Но так как тяжелая вода
является сравнительно дорогим продуктом, чаще всего в
качестве замедлителя применяют хорошо1 очищенный гра-
фит — значительно более доступный и дешевый материал.
Имеется второй способ осуществления цепной реакции
без взрыва, основанный на искусственном увеличении в
уране процентного содержания легкого изотопа — урана 235,
то есть в применении так называемого обогащенного урана.
В обогащенном уране нейтроны чаще сталкиваются с
ядрами урана 235 и производят их деление с испусканием
новых нейтронов. Поэтому, если взять кусок обогащенного
урана достаточной величины, то число возникающих нейтро-
нов будет столь велико, что, несмотря на потерю части их
вследствие поглощения ядрами урана 238 и утечки за пре-
делы куска, коэффициент размножения К будет равен еди-
нице. Масса и размеры такого куска называются соответ-
ственно критическими. Чем больше степень обогащения,
то есть процент содержания урана 235, тем меньше при
прочих равных условиях критические размеры и масса.
Используемое в атомной бомбе ядерное ВВ представляет
собой максимально обогащенный уран, содержащий изо-
топ 235 в количестве более 90%. В установках для получе-
ния ядерной энергии в промышленных целях столь высокая
степень обогащения не требуется.
Осуществление цепной реакции без взрыва возможно
также путем применения обоих рассмотренных нами спосо-
бов, то есть с одновременным использованием замедлителя
нейтронов и обогащенного урана.
9 В. А. Михайлов
129
Цепная реакция без взрыва называется управляемой, или
контролируемой, так как скорость (мощность) ее можно
регулировать. Для этого применяют так называемые управ-
ляющие (регулирующие) стержни, содержащие вещества,
хорошо поглощающие нейтроны (кадмий, бор и др.). Вдви-
гая или выдвигая такие стержни внутрь объема, занятого
ураном с замедлителем, можно изменять число нейтронов,
производящих деления, и тем самым изменять коэффициент
размножения К. Изменяя величину /С, получаем возмож-
ность управлять скоростью цепной реакции и, следовательно,
регулировать ее мощность.
Тут же необходимо заметить, что возможность управле-
ния цепной реакцией в уране обусловлена исключительно
наличием в нем запаздывающих нейтронов. Без этих ней-
тронов, если бы реакция шла на одних мгновенных нейтро-
нах, регулирование скорости реакции было бы невоз-
можно. Действительно, от момента вылета мгновенного
нейтрона до поглощения его каким-либо ядром проходит
всего 0,001 сек. Поэтому при К > 1 цепная реакция на мгно-
венных нейтронах развивается столь стремительно, что
невозможно обычными техническими средствами «успеть»
за ней. Наличие запаздывающих нейтронов, вылетающих с
задержкой до 80 сек., делает возможным управление реак-
цией при значениях коэффициента размножения /С, близких
к единице.
Такое устройство, в котором осуществляется управляе-
мая цепная реакция, называется ядерным, или атомным,
реактором.
2. Принципиальная схема ядерного реактора
В настоящее время наиболее распространены уран-
графитовые реакторы, в которых природный уран является
ядерным горючим, а графит — замедлителем. Принципиаль-
ная схема такого реактора дана на рис. 41. В средней части
реактора внутри большого остова из графита 1 располо-
жены стержни 2 из природного урана, покрытого алюминие-
вой оболочкой. Диаметр урановых стержней рассчитывается
так, чтобы нейтроны, возникающие при делении, не испы-
тывали много столкновений в уране, а быстро^ выходили в
замедлитель. Иначе уран 238 может поглотить много ней-
тронов. Замедляясь в графите, быстрый нейтрон становится
тепловым и после ряда столкновений с ядрами замедлителя
и тяжелого изотопа урана 238 встретится в конце концов в
каком-нибудь урановом стержне с ядром урана 235 и произ-
130
ведет его деление. При этом вновь появятся быстрые ней-
троны, чем и поддерживается цепная реакция.
Графит с урановыми стержнями образуют активную зону
реактора, которая окружается отражателем 5, то есть веще-
ством, отражающим нейтроны, движущиеся наружу, об-
ратно в активную зону, и тем самым уменьшающим необ-
ходимые для развития цепной реакции критические размеры
реактора. Отражение нейтронов — сложный процесс, в ко-
Рис. 41. Принципиальная схема уран-графитового
ядерного реактора:
1 — графит; 2 — уран; 3 — отражатель; 4 — защитная бетонная
стенка; 5—теплообменник; 6—вода или газ; 7 — насос; 8 —
управляющий стержень; 9 — ионизационная камера; 10 — уси-
литель тока ионизационной камеры; 11 — электромоторы
тором используются такие же упругие столкновения нейтро-
нов с ядрами отражателя, которые происходят в замедли-
теле. Поэтому в качестве отражателя нейтронов может быть
использован тот же графит (углерод).
После ряда столкновений с ядрами углерода небольшая
часть нейтронов вернется обратно в активную зону реак-
тора и примет участие в цепной реакции. Значительная же
часть нейтронов все же выходит наружу. Поэтому реактор
окружается так называемой биологической защитой, чаще
всего бетонной стенкой 4, предохраняющей обслуживающий
персонал от вредного действия нейтронного и радиоактив-
ного излучения. Толщина бетона бывает разной в зависи-
мости от мощности реактора и иногда доходит до 3 м
и более.
9*
131
В любом куске урайа, а следовательно, и в уран-графи-
товом реакторе, независимо от того, идет ли в нем цепная
реакция или нет, непрерывно выделяется ядерная энергия.
Это происходит за счет самопроизвольного деления ядер
урана.
Выше уже говорилось о том, что в 1 кг урана за 1 се-
кунду происходит в среднем около 6—7 делений. Принимая
во внимание это число и учитывая, что в каждом делении
освобождается в виде тепла около 160 Мэв ядерной энер-
гии, можно подсчитать, мощность выделяемой за счет само-
произвольного деления энергии. Это будет начальная мощ-
ность реактора. Для реактора, в который загружено около
1 т природного урана, начальная мощность составляет ме-
нее 10-10 кет. Это, конечно, ничтожная мощность, но ее
вполне достаточно для начала цепной реакции.
Количество загружаемого в реактор урана должно пре-
вышать критическую массу. Одной из причин этого является
необходимость получить коэффициент размножения больше
единицы, так как только при этом условии возможно увели-
чить количество нейтронов, а следовательно, и число деле-
ний в 1 секунду до значения, обеспечивающего работу реак-
тора с заданной мощностью. Чтобы цепная реакция не на-
чалась преждевременно, загрузка урана производится при
полностью введенных управляющих стержнях 5, изготовлен-
ных из металлического кадмия или бористой стали. Погло-
щение нейтронов стержнями при таком их положении при-
водит к уменьшению коэффициента размножения (К<1)
и препятствует началу цепной реакции.
При пуске реактора стержни следует выдвинуть из
активной зоны настолько, чтобы коэффициент размножения
нейтронов стал немного больше единицы. Тогда количество
нейтронов и число делений, вызываемых ими, станет воз-
растать. Соответственно будет увеличиваться и мощность
выделяемой энергии. При коэффициенте размножения
К = 1,005 мощность реактора увеличится в 2,7 раза при-
мерно через 10 сек., в 7,3 раза через 20 сек. и т. д. В пер-
вые минуты мощность растет медленно, а в последующем
все быстрее и быстрее, как это показано на рис. 42.
Когда мощность достигнет заданной величины, необхо-
димо, несколько опустив управляющие стержни, уменьшить
коэффициент размножения и сделать его равным единице;
тогда реактор станет работать с постоянной мощностью.
По мере работы реактора в урановых стержнях будет
«выгорать» уран 235 и накапливаться плутоний 239. Это
132
обстоятельство, а также поглощение нейтронов «осколками»
деления, накапливающимися в стержнях, приводит к посте-
пенному уменьшению коэффициента размножения Для
устойчивой работы реактора нужно компенсировать это
уменьшение /С, выдвигая постепенно управляющие стержни
из активной зоны.
Управление работой ядерного реактора производится
управляющими стержнями 8 автоматически. Контроль за
работой осуществляется с помощью особой ионизационной
камеры 9, снабженной соответствующим усилителем 10.
Когда в реакторе образуется нейтронов больше, чем нужно,
и реакция ускоряется, камера сама включает электро-
моторы 11, которые вдвигают управляющие стержни. Реак-
ция начинает идти медленнее. Если реакция протекает мед-
леннее, чем нужно, стержни автоматически выдвигаются.
Время от времени уран из реактора удаляется, и из него
выделяется накопившийся там плутоний 239, который
может быть использован для цепной реакции взрывного
типа. Остановка реактора, необходимая для этого, осуще-
ствляется с помощью тех же управляющих стержней, путем
их полного введения внутрь реактора, или дополнительных
таких же стержней, специально предназначенных для этой
цели (аварийных, или стоп-стержней).
Так как во время работы реактора в нем выделяется
огромное количество ядерной энергии, превращающейся в
теплоту, то для того, чтобы реактор не расплавился, выде-
ляющееся тепло необходимо отводить наружу в теплооб-
менник или нагреватель.
133
Для вывода тепла из реактора можно применять воду
при высоком давлении, прогоняя ее насосом 7 (рис. 41) по
специальным каналам, или какой-либо газ (гелий, угле-
кислый газ и т. п.), или расплавленный металл (калий, нат-
рий, свинец и т. д.). Вещества, которые непрерывно цирку-
лируют через реактор и отводят выделяющееся там тепло
в теплообменник, называются теплоносителями. Теплоноси-
тель не должен поглощать нейтроны, движущиеся в актив-
ной зоне реактора, должен быть химически устойчивым при
температурах, господствующих в реакторе. Выбор тепло-
носителя определяется еще и тем. какую температуру тре-
буется получить в теплообменнике.
Применение для отвода тепла газов или расплавленных
металлов позволяет получать в теплообменнике более высо-
кую температуру. Чем выше температура в теплообменнике,
тем больше будет коэффициент полезного действия уста-
новки, использующей тепло реактора. Современные реак-
торы работают при температуре 250—600 градусов.
Ядерные реакторы, содержащие ядерное горючее в виде
отдельных стержней или блоков, получили название гетеро-
генных реакторов. Существуют и так называемые гомоген-
ные реакторы, в которых ядерное горючее равномерно сме-
шано с замедлителем. Это может быть сплав, раствор или
простая механическая смесь расщепляющегося материала
или какого-либо его соединения с тем или иным замедли-
телем.
Гомогенные реакторы по конструкции и эксплуатации в
некоторых отношениях значительно проще гетерогенных.
Так, например, в случае жидкой гомогенной системы отпа-
дает необходимость в особом теплоносителе, ибо в этом
случае теплоносителем может служить сама смесь горючего
и замедлителя, прогоняемая насосом 1 через реактор 2 и
теплообменник 3 (рис. 43). Упрощается и управление реак-
тором. Последнее может быть осуществлено путем автома-
тической добавки или отнятия некоторой части смеси.
Однако ядерное горючее для гомогенных реакторов должно
быть обязательно обогащенным, за исключением того слу-
чая, когда в качестве замедлителя применяется тяжелая
вода.
В зависимости от назначения реакторы можно разде-
лить на несколько групп:
1. Исследовательские реакторы, предназначенные для
научных физических и технических исследований,
134
2. Энергетические реакторы, предназначенные для произ-
водства атомной (ядерной) энергии и превращения ее в
другие виды энергии.
3. Воспроизводящие реакторы или реакторы-преобразо-
ватели. В таких реакторах помимо получения атомной энер-
гии, производится плутоний 239, который в отношении де-
ления нейтронами обладает такими же свойствами, как и
уран 235, и потому может служить в качестве ядерного
горючего. Воспроизводящие реакторы рассчитываются так,
чтобы количество производимого плутония покрывало ча-
стично расход урана 235.
Рис. 43. Схема гомогенного ядерного реактора:
1 — насос; 2 — реактор; 3 — теплообменник
4. Размножающие реакторы, предназначенные для про-
изводства искусственного ядерного горючего (плутония 239
или урана 233).
Если в качестве горючего для реактора взять уран, в до-
статочной степени обогащенный изотопом 235, то в процессе
работы реактора количество образующегося плутония может
превзойти количество расходуемого урана 235. Таким обра-
зом, общее количество делящегося (расщепляющегося) ма-
териала в таком реакторе будет увеличиваться. Подобным
образом и работают размножающие реакторы. Потери и
бесполезное поглощение нейтронов в этих реакторах све-
дены к минимуму.
В зависимости от скорости нейтронов, используемых для
цепной реакции, различают реакторы на быстрых нейтронах,
реакторы на медленных (тепловых) нейтронах и, наконец,
реакторы на промежуточных или средних нейтронах.
В качестве ядерного горючего во всех реакторах приме-
няется уран, чаще всего обогащенный легким изотопом —
ураном 235.
135
В качестве конструкционных материалов при сооруже-
нии реакторов применяются в основном алюминий, цирко-
ний, их сплавы и нержавеющие стали.
3. Советские ядерные реакторы
В задачу этой книжки не входит подробное рассмотрение
техники получения атомной энергии. Однако в целях луч-
шего уяснения тех физических принципов, на основе которых
работают ядерные реакторы и которые изложены выше, рас-
скажем кратко о некоторых советских реакторах L
Теоретическое и экспериментальное исследование цепной
реакции в нашей стране было начато еще до Великой Отече-
ственной войны. Были выяснены характерные особенности
этого процесса, разработана теория деления ядер урана
(Я. И. Френкель), открыто и изучено самопроизвольное де-
ление этих ядер (Г. Н. Флёров и К. А. Петржак). Тогда же
была разработана теория развития процесса во времени,
найдены величины, от которых зависит коэффициент раз-
множения системы с ураном и т. п. Работа продолжалась и
в военное время.
Весьма разнообразные и многочисленные исследования
были проведены перед постройкой первого советского ядер-
ного реактора, явившегося также и первым реактором в Ев-
ропе. Это был уран-графитовый реактор, остов которого' был
выложен из графитовых кирпичей размером ЮХ^Х
X 60 сж3. Активная зона его имела форму шара радиусом
около 3 ж. Отражателем нейтронов служил слой графита
толщиной около 80 см, выложенный из тех же графитовых
кирпичей. Кладка велась последовательно слоями в один
кирпич.
В специальные вертикальные отверстия помещались
стержни из металлического кадмия, предназначенные для
управления реактором. Блоки из природного урана диамет-
ром 3—4 см вкладывались также в вертикальные отверстия,
высверленные в графитовых кирпичах активной зоны. После
выкладки 54 слоя и извлечения управляющих стержней в
реакторе началась цепная реакция, подтвердившая расчеты
советских ученых.
Всего в реактор было загружено около 45 т природного
урана и несколько сот тонн графита. В реакторе не был пре-
1 Подробное описание ряда советских реакторов имеется в докла-
дах советских ученых на сессии Академии наук СССР в Москве
(июль 1955 г.) и на .Международной научно-технической конференции
по мирному использованию атомной энергии, в Женеве (август 1955 г.).
136
дусмотрен специальный теплоноситель, но за счет большой
теплоемкости самой системы кратковременно удавалось под-
нимать мощность реактора до нескольких тысяч киловатт.
Пуск первого ядерного
реактора имел фундамен-
тальное значение для со-
ветской науки. Была до-
казана возможность осу-
ществления цепной реак-
ции с природным ураном
•и графитовым замедлите-
лем. Опытные данные, по-
лученные при работе с
этим реактором, позволи-
ли уточнить теоретические
расчеты и перейти к по-
стройке других более со-
вершенных реакторов.
Одним из таких реак-
торов явился реактор
РФТ, специально предна-
значенный для экспери-
ментальных физических и
технических исследований.
Введенный в эксплуата-
цию в апреле 1952 г., он
безотказно работает и в
настоящее время. Это —
гетерогенный реактор на
обогащенном металличе-
ском уране с 15-процент-
ным содержанием легкого
изотопа 235; тепловая
мощность его 10 тыс. кет.
Урановые блоки или
стержни, называемые
обычно тепловыделяю-
Рис. 44. Тепловыделяющий элемент
(а) и рабочий канал (б) ядерного
реактора РФТ
щими элементами, выполнены в виде труб с внутренней
и внешней оболочками из алюминиевого сплава
(рис. 44, а). Тепловыделяющие элементы в свою очередь
вставлены в широкие алюминиевые трубы. В собранном
виде такая система (рис. 44, б) представляет собой рабочий
канал ядерного реактора. Замедлителем служит графит и
вода, которая циркулирует в рабочих каналах.
137
В процессе работы реактора выделяется энергия. По-
этому рабочие каналы нагреваются. Охлаждение произво-
дится с помощью дистиллированной воды, прогоняемой на-
сосами через рабочие каналы и каналы охлаждения отража-
теля. Нагретая вода охлаждается в теплообменниках речной
водой. В рабочий канал дистиллированная вода входит
сверху, течет по кольцевому зазору между трубой канала
и внешней поверхностью тепловыделяющего элемента и под-
нимается вверх по центральному каналу. Такое обтекание
водой тепловыделяющего элемента обеспечивает хороший
отвод тепла.
Для защиты обслуживающего персонала от вредного
действия нейтронного и радиоактивного излучений реактор
окружен со всех сторон биологической защитой. Она состоит
из железного корпуса толщиной 2,5 см, окруженного бетон-
ной стеной толщиной 3,2 м. Для защиты верхней части реак-
тора имеется дополнительный слой графита толщиной 1,5 м
и слой свинца 0,4 м. Кроме того, сверху реактор закрыт чу-
гунной плитой толщиной 20 см.
Управление реактором производится целой системой по-
глощающих стержней, приводимых в движение ручным и
автоматическим способом. Сигналы для автоматического пе-
редвижения стержней поступают от ионизационных камер.
Для экстренного выключения реактора служат два аварий-
ных кадмиевых стержня, расположенных в боковом отража-
теле. Стержни опускаются в крайнее нижнее положение за
0,4 секунды, надежно защищая реактор в случае каких-ни-
будь неисправностей в системе охлаждения и при выключе-
нии электрического тока.
Ядерный реактор РФТ сыграл важную роль в развитии
советского реакторостроения.
Большой опыт по проектированию, постройке и эксплуа-
тации ядерных реакторов, а также обширные исследования,
выполненные на реакторе РФТ, послужили основой для со-
здания ядерного реактора первой в мире атомной электро-
станции СССР. Это — первый энергетический реактор. По
принципу своего действия он принадлежит к типу гетеро-
генных реакторов, работающих на тепловых нейтронах с за-
медлителем из графита. Тепловая мощность реактора, вер-
тикальный разрез которого приведен на рис. 45, составляет
30 тыс. кет.
Конструктивную основу (остов) реактора составляет ци-
линдрическая графитовая кладка, центральная часть кото-
рой диаметром 1,5 м и высотой 1,7 м является активной зо-
138
Рис. 45. Реактор первой атомной электростанции:
/ — кладка реактора; 2— нижняя плита; 3— верхняя плита; 4 — рабочий канал; 5 — канал
аварийной защиты; 6 — канал автоматического регулирования; 7 — канал ионизационной камеры;
8 — боковая защита (вода); 9 и 10 — холодильники; 11— распределительный коллектор; 12 — сборный
коллектор; 13— верхняя защита (чугун); 14 — охлаждаемая стойка отражателя
ной. Эта зона показана на рис. 45. Остальная часть графи-
товой кладки, окружающая активную зону со всех сторон,
является отражателем нейтронов. Кладка заключена в
стальной кожух, приваренный к нижней стальной плите.
Сверху кладка закрыта массивной чугунной плитой. Кожух
вместе с нижней и верхней плитами образует герметически
закрытый объем, который во избежание выгорания графита
заполняется при работе реактора инертным газом (гелием
или азотом).
Биологическая защита обеспечивается: сбоку — слоем
воды в \ м и бетонной стенкой толщиной 3 м, сверху — сов-
местно верхней частью графитовой кладки, чугунной плитой
и защитным чугунным перекрытием. Вся конструкция раз-
мещается в шахте, так что его верхнее чугунное перекрытие
находится на уровне пола. Фотография реактора сверху
приведена на рис. 46. Видна верхняя защитная плита и
сервомоторы стержней аварийной защиты и подводящие
к ним кабели.
Рис. 46. Вид реактора первой атомной
электростанции сверху
В графитовой кладке имеется 157 вертикальных отвер-
стий, из которых 128 заняты урановыми стержнями (рабо-
чими каналами), а остальные 29 предназначены для управ-
ляющих стержней и вспомогательных целей. Тепловыделяю-
щие элементы имеют трубчатую конструкцию и сходны с
аналогичными элементами реактора РФТ. Горючим служит
обогащенный уран, содержащий 5% изотопа 235. Общее ко-
личество загружаемого урана составляет 550 кг, в котором
140
содержится 27,5 кг изотопа 235. Каждые сутки в реакторе
«сгорает» всего около 30 г урана 235.
Количество урана достигает критической массы с введе-
нием 60 уранового стержня. Это значит, что для начала ра-
боты реактора достаточно было бы 60 стержней, а их
имеется 128. Добавочные 68 стержней необходимы по двум
причинам. Во-первых, уран 235 со временем «выгорает», и
поэтому излишек его в начале требуется для обеспечения
последующей длительной работы реактора. Тепловая мощ-
ность в 30 тыс. кет обеспечивается в течение 100 дней при-
близительно 120 стержнями. Во-вторых, добавочные стержни
необходимы потому, что по мере работы реактора в тепло-
выделяющих элементах накапливаются продукты деления
урана 235 («осколки»), многие из которых чрезвычайно
сильно поглощают нейтроны. Эти «осколки» являются как
бы «золой» или «шлаком» от сжигания ядерного горючего,
которая «зашлаковывает» реактор, уменьшая количество
нейтронов. Особенно вредными являются «осколки» — ядра
атомов ксенона и самария, которые жадно поглощают ней-
троны. В обычной топке шлак мешает сжигать уголь, и его
время от времени выгребают. В ядерном реакторе удалять
шлаки (продукты деления) во время работы реактора невоз-
можно. Приходится поэтому увеличивать количество ядер-
ного горючего и, следовательно, число возникающих в нем
нейтронов с тем, чтобы компенсировать потери нейтронов в
шлаках.
Теплоносителем, отводящим тепло из реактора в тепло-
обменники (парогенераторы), служит дистиллированная
вода, омывающая тепловыделяющие элементы при давлении
100 атмосфер. При столь высоком давлении вода может ки-
петь при температуре 309° Ц. Закипание воды в каком-либо
канале привело бы к резкому уменьшению отдачи тепла,
а следовательно, к перегреву и возможному разрушению
тепловыделяющего элемента. Поэтому воду нагревают в
реакторе только до 260—270°, не давая ей кипеть. Вода под-
водится к каждому рабочему каналу от коллектора из сосед-
него с реактором помещения. Отвод воды из рабочих кана-
лов осуществляется к коллектору, расположенному над
реактором.
Необходимость применения в качестве теплоносителя ди-
стиллированной воды обусловлена тем, что, пройдя через
реактор, вода становится радиоактивной. Сама-то вода
быстро теряет свою активность, излучая гамма-лучи, а вот
примеси, содержащиеся в ней, остаются радиоактивными
141
Длительное время. Чтобы уменьшить эту радиоактивность,
обычную речную воду подвергают двойной перегонке (ди-
стилляции), вследствие чего содержание примесей умень-
шается в 100—200 раз. Кроме того, дистиллированная вода
не откладывает в реакторе накипь.
В парогенераторах вода, поступающая из реактора,
охлаждается до 190° и возвращается обратно. Таким обра-
зом, вода циркулирует по замкнутому контуру; все элементы
этого контура окружены специальной защитой от радиоак-
тивного излучения воды.
Управление работой реактора производится с помощью
поглощающих стержней из карбида бора. Всего имеется
24 управляющих (регулирующих) стержня, которые по их
назначению делятся на три группы. Первую группу из
18 стержней составляют компенсационные стержни. Количе-
ство урана, загружаемого в реактор, превышает, как мы
знаем, критическую массу. Чтобы излишек урана не прини-
мал участия в цепной реакции, и вводятся компенсационные
стержни, которые поглощают избыточные нейтроны и под-
держивают коэффициент размножения нейтронов, равным
единице. По мере выгорания урана и накапливания «шла-
ков» эти стержни постепенно выдвигаются из активной зоны
реактора.
Вторую группу составляют 4 стержня, служащие для
автоматического поддержания мощности реактора на задан-
ном уровне (стержни автоматического регулирования). Два
стержня, предназначенные для экстренной остановки реак-
тора (стержни аварийной защиты), составляют третью
группу управляющих стержней.
Контроль мощности реактора осуществляется с помощью
12 ионизационных камер, расположенных вблизи от актив-
ной зоны и связанных с механизмами, передвигающими
управляющие стержни.
По положению компенсирующих стержней можно судить
о том, сколько выгорело горючего и как много накопилось в
реакторе «шлаков». После того как все компенсирующие
стержни будут извлечены полностью, цепная реакция не мо-
жет дальше поддерживаться. Значит, чтобы реактор мог
работать непрерывно, нужно по истечении некоторого вре-
мени заменять выгоревшие стержни новыми. За то, что вы-
горевшие стержни обладают большой радиоактивностью,
обязанной «осколкам» деления, их называют «горячими»,
хотя температура их не превышает обычно 50°. Активность
одного «горячего» стержня составляет примерно
142
Рис. 47. Уголок зала реактора первой атомной
электростанции. Видны люки, в которые опущены
«горячие» стержни и висящие у задней стены запас-
ные стержни
143
10 тыс. кюри. Извлечение «горячих» стержней производится
с помощью подъемного крана, управляемого дистанционно
из специального помещения, защищенного от радиоактив-
ного излучения. Вынутый из реактора стержень опускается
через специальный люк в полу в бассейн с водой, где он в
течение года «остывает». После годичной выдержки эти
стержни отправляются на завод, где химическим путем уран
отделяется от «шлаков» и снова идет в реактор. На рис. 47
приведена фотография уголка зала реактора первой атом-
ной электростанции СССР. На переднем плане видны люки,
в которые опущены отработавшие стержни. На заднем
плане видны висящие запасные стержни. В них находится
полугодовой запас урана, содержащий около 5,5 кг изо-
топа 235. Для сравнения укажем, что полугодовой запас
каменного угля для работы силовой установки такой же
мощности, как и описываемый реактор, составил бы более
20 тыс. т.
Расскажем еще об одном реакторе, предназначенном для
физических исследований как на самом реакторе, так и на
выведенных из него пучках нейтронов. Это — опытный фи-
зический реактор с тяжелой водой Академии наук СССР,
введенный в строй в апреле 1949 г. (рис. 48).
Реакторы с тяжелой водой имеют ряд особенностей по
сравнению с графитовыми реакторами, а именно: сравни-
тельно малый размер системы и высокое значение коэффи-
циента размножения, сравнительно малое число столкнове-
ний, необходимых для замедления нейтронов, и другие. Жид-
кий замедлитель позволяет осуществить быстрое изменение
расположения урановых блоков в реакторе, а также прово-
дить опыты со стержнями различной толщины.
Реактор состоит из цилиндрического алюминиевого ре-
зервуара диаметром 1,75 м и высотой около 2 ж, залитого
тяжелой водой. Дно резервуара, слегка коническое, лежит
на графитовой кладке толщиной 100 см. Расположенный
сбоку, графитовый отражатель также имеет толщину 100 см.
Графитовая кладка окружена внешним стальным корпусом,
б котором обычно поддерживается вакуум. В резервуар опу-
щены урановые стержни длиной 160 см. Диаметр урановых
стержней в разных исследованиях менялся от 2,2 до 2,8 см.
Изменялось также и число урановых стержней (от 86
до 292). Отвод тепла в реакторе осуществляется за счет цир-
куляции тяжелой воды. Таким образом, тяжелая вода в
этом реакторе служит и замедлителем и теплоносителем.
Скорость циркуляции воды невелика, и поэтому максималь-
144
ная длительно снимаемая мощность ядерного реактора
равна 600 квт\ обычная мощность находится в пределах
350—500 кет. Над тяжелой водой непрерывно протекает ге-
лий, который уносит с собой выделяющуюся за счет разло-
жения тяжелой воды гремучую смесь.
Рис. 48. Опытный физический реактор с тяжелой водой Академии
наук СССР
Боковая защита от излучения реактора бетонная толщи-
ной 2,5 м. В ней имеется ряд каналов для облучения и вы-
вода пучков нейтронов. Сверху реактора свинцовая защит-
ная крышка.
Управление реактором производится ручным и автомати-
ческим передвижением четырех кадмиевых стержней.
Имеются также и два аварийных стержня. В случае аварии
тяжелая вода сливается в запасной бак, и цепная реакция
прекращается.
На Международной конференции по мирному использо-
ванию атомной энергии в Женеве советские ученые расска-
зали об экспериментальном ядерном реакторе на обыкновен-
ной воде. Обыкновенная вода используется здесь в качестве
10 В А. Михайлов
145
замедлителя, теплоносителя и отражателя. Горючим служит
обогащенный уран, содержащий 10% изотопа 235. Такой
реактор сравнительно невелик по размерам и прост по кон-
струкции.
К сожалению, и этот простой и компактный реактор тре-
бует мощной биологической защиты. Обязательное наличие
у ядерного реактора массивной защиты от излучений яв-
ляется одним из серьезных недостатков ядерной энергии,
затрудняющим ее применение в промышленности, на транс-
порте и в быту.
Несмотря на то, что реакторостроение существует корот-
кое время, уже создано много типов реакторов. Советские
ученые успешно работают над их совершенствованием и над
созданием новых типов реакторов. Ряд новых идей и проек-
тов были выдвинуты в 1955 г. нашими учеными в докладах
на Международной конференции в Женеве. По плану ше-
стой пятилетки намечено построить до 10 разных типов
реакторов. Будут построены реакторы на медленных, быст-
рых и промежуточных нейтронах с замедлителями из гра-
фита, бериллия, тяжелой и обыкновенной воды, с газовым,
водяным и жидкометаллическим охлаждением. Будет по-
строен мощный ядерный реактор с использованием тория.
Работу по ядерным реакторам советские ученые ведут
совместно с учеными и инженерами стран социалистиче-
ского лагеря, которые с участием Советского Союза создают
у себя реакторы для научных целей. Реакторы некоторых
типов поставляются Советским Союзом ряду стран в по-
рядке научно-технической помощи.
— о —
VIII. ПРИМЕНЕНИЕ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ
1. Атомные электрические станции
Одним из первых применений ядерной энергии явилось
ядерное оружие. Исключительно важное значение имеет
применение ядерной энергии как источника тепловой, меха-
нической и электрической энергии. О применении ядерной
энергии для энергетических целей рассказывается ниже.
Одним из генеральных путей развития ядерной энергии
является, несомненно, производство электрической энергии,
самой удобной для передачи и использования в народном
хозяйстве. Именно поэтому советские люди с особым чув-
ством гордости воспринимают тот факт, что в нашей стране
построена и успешно работает первая в мире промышленная
атомная электростанция (рис. 49). Технологическое обору-
дование станции, созданное советскими учеными, инжене-
рами и рабочими, выдержало блестящий экзамен. За три
года работы станции не вышел из строя ни один тепловыде-
ляющий урановый элемент, как и не было ни одного слу-
чая нарушения биологической безопасности. Это величай-
шая победа советской науки и техники. День пуска этой
станции — 27 июня 1954 г. — войдет в историю как начало
технико-экономической революции, распахнувшей перед че-
ловечеством двери в новую, атомную эпоху. Не взрывы
атомных бомб в Хиросима и Нагасаки, а именно первая
атомная электростанция СССР и применение ядерной энер-
гии в мирных целях положили начало этой революции.
Первая атомная электростанция построена с целью на-
копления научного и инженерного опыта, необходимого для
проектирования и строительства крупных атомных станций
в шестой пятилетке. Проектировщики и строители новых
10* 147
Рис. 49. Главное здание первой атомной электростанции
атомных энергетических гигантов черпают здесь богатейший
опыт.
По принципу своего устройства первая атомная электро-
станция является паросиловой установкой, в которой элек-
троэнергия вырабатывается турбогенератором, то есть гене-
ратором, соединенным на общем валу с паровой турбиной,
приводящей его в движение. Принципиальная схема стан-
ции в упрощенном виде приведена на рис. 50. Основными
элементами станции являются ядерный реактор, парогене-
ратор и турбогенератор.
Ядерный реактор, конструкция которого рассмотрена
выше, является -сердцем станции; его тепловая мощность
30 тыс. кет. Это как бы «топка» станции, где ядерная энер-
гия превращается в теплоту. Для вывода тепла из реактора
применяется двухконтурная система: дистиллированная вода
первичного контура, циркулирующая через реактор, и си-
стема теплообменников (парогенераторов), передающая
свое тепло обыкновенной воде второго контура, которая,
превращаясь в пар, приводит в движение турбогенератор
с электрической мощностью 5 тыс. кет.
Применение двухконтурной схемы исключает возмож-
ность попадания радиоактивной воды первого контура в
турбину. Благодаря этому обслуживание турбины и связан-
ного с ней оборудования ничем не отличается от обычных
тепловых электростанций, так как для этого оборудования
не требуется устройства биологической защиты. Элементы
148
же первичного контура, поскольку циркулирующая в них
вода обладает радиоактивностью, окружены специальной
защитой.
На станции имеется 8 парогенераторов, попарно объеди-
ненных в защитных камерах. Когда станция работает на
полную мощность, то включены три пары, а четвертая пара
находится в резерве. Каждый парогенератор, состоящий из
'Рис. 50. Принципиальная схема первой атомной электро-
станции:
/ — реактор; 2 — турбогенератор; 3 — теплообменник (парогенератор);
4 — конденсатор; 5 — питательный насос; 6 — циркуляционные насосы
подогревателя воды, испарителя воды и пароперегревателя,
представляет собой своеобразный «паровой котел». Именно
здесь сильно нагретая вода первичного контура отдает
свое тепло движущейся ей навстречу воде второго контура
и превращает ее в пар. Три пары таких «котлов» произво-
дят в час около 40 т пара при температуре 255—260° Ц.
Циркуляционные насосы перекачивают охлажденную до
190° воду обратно в реактор. Так заканчивается цикл обра-
щения дистиллированной воды (первичного теплоносителя).
Вторичный теплоноситель — обыкновенный водяной пар
при давлении 12,5 атмосферы — поступает в турбогенера-
тор, где его тепловая энергия превращается в электриче-
скую. Отработанный пар, охлаждаясь в конденсаторе, пре-
вращается там в воду и перекачивается питательными на-
сосами обратно в парогенератор.
Первая атомная электростанция СССР размещается в
трех зданиях. В главном здании находятся ядерный реактор,
149
парогенераторы, насосы и другое оборудование для обслу-
живания станции и для проведения научных и инженерных
исследований. Там же размещается и пульт управления
станции. Во втором здании установлены: паровая турбина с
электрическим генератором, электрическое распределитель-
ное устройство, конденсатор и другое оборудование, относя-
щееся к контуру вторичного теплоносителя (пара). Нако-
нец, в третьем здании размещаются вентиляционные устрой-
ства, необходимые для выброса в трубу радиоактивных га-
зов, выделяющихся при работе ядерного реактора.
Управление ядерным реактором и всеми другими агре-
гатами станции производится с главного пульта управления
(рис. 51), причем осуществляется оно преимущественно
автоматически. Автоматы поддерживают заданный уровень
мощности реактора, следят за действием основных и вспо-
могательных устройств станции и обо всем, что происходит
на станции, посылают соответствующие сигналы на главный
пульт управления.
Дежурный инженер-оператор может следить по прибо-
рам этого пульта за работой всех элементов станции. Перед
глазами оператора находятся измерители мощности и ука-
затели положения регулирующих стержней, приборы, отме-
чающие температуру, давление и количество воды, проте-
кающей в каждом из 128 рабочих каналов реактора. Здесь
же оператор получает сведения о давлении пара, идущего
в турбину, о работе всех насосов и парогенераторов.
На центральном щите пульта имеется наглядная схема
станции, на которой приборами и условными значками
представлено все сложное хозяйство станции. Световые сиг-
налы, имеющиеся на схеме, «докладывают» оператору о не-
поладках. Желтый сигнал — предупреждение, красный по-
казывает причину и место аварии.
В соответствии с этими сигналами и показаниями прибо-
ров оператор, находясь у пульта, может устранить могущие
возникнуть неполадки. Но даже в том случае, если бы опе-
ратор не принял необходимых мер, авария не произойдет,
так как аварийные стержни сами опустятся в реактор и
остановят цепной процесс.
На особом дозиметрическом пульте находятся приборы,
сигнализирующие о наличии опасных радиоактивных излу-
чений в различных помещениях электростанции. Оператор
всегда будет предупрежден световым и звуковым сигналом,
в каком помещении излучение превышает норму. Кроме
того, в этом помещении автоматически вспыхивает красная
150
Рис. 51. Главный пульт управления первой атомной электростанции
лампа и дается звуковой сигнал. На здоровье обслуживаю-
щего персонала работа на станции не оказывает вредного
влияния.
Радиоактивная, пыль и газы, отсасываемые из помещений
электростанции, поступают в высокую трубу и выбрасы-
ваются в атмосферу. Высота трубы гарантирует полную
безопасность для окружающего населения.
Питание всех агрегатов станции производится за счет
вырабатываемой ею электроэнергии. Однако в случае ава-
рии в электрической сети питание всех механизмов и при-
боров автоматически переключается на аккумуляторную
батарею.
Электрическая энергия атомной электростанции посту-
пает через трансформаторную подстанцию в общее высоко-
вольтное кольцо, от которого питаются фабрики, заводы,
колхозы, совхозы, культурно-просветительные учреждения и
жилые дома.
Стоимость одного киловатт-часа электрической энергии,
вырабатываемой на первой атомной электростанции, значи-
тельно превышает среднюю себестоимость одного киловатт-
часа на мощных тепловых электростанциях Советского
Союза. Однако она сравнима со стоимостью электроэнергии,
получаемой на таких же по мощности 1000—5000 кет —
тепловых электростанциях.
Анализ стоимости одного киловатт-часа энергии, выра-
батываемой на первой атомной электростанции, показывает,
что высокая его себестоимость обусловлена в первую, оче-
редь малой ее мощностью.
В 1955 г. на Международной научно-технической конфе-
ренции по мирному использованию атомной энергии в Же-
неве профессор Д. И. Блохинцев сообщил, что экономиче-
ские показатели усовершенствованной атомной электро-
станции мощностью в 100 тыс. кет были сравнены с пока-
зателями современной электростанции такой же мощности,
работающей на угле среднего качества, сжигаемом в пыле-
видном состоянии. Оказалось, что стоимость топлива на
один киловатт-час на атомной станции больше, но уже
близка к стоимости его на обычной станции, если здесь ис-
пользуется топливо низкого качества.
Это связано в большой степени с тем, что расход ядер-
ного горючего на атомной электростанции ничтожно мал.
В то время как; для угольной станции мощностью в
500 тыс. кет требуется в год не менее 100 тыс. вагонов
152
угля, для атомной электростанции такой же мощности до-
статочно в год лишь нескольких вагонов урана.
Таким образом, одним из путей повышения экономично-
сти атомных электростанций является увеличение их мощ-
ности.
Атомная электростанция не нуждается в топливном
складе с его механизмами, в железнодорожных вагонах для
перевозки топлива, общий вес которого на угольной стан-
ции составляет тысячи тонн. Существенным преимуществом
атомной электростанции по сравнению с обычными является
отсутствие золы, дыма и т. д.
Все это позволяет рассчитывать на то, что численность
персонала, обслуживающего атомный реактор и парогене-
раторы, будет в 2—3 раза меньше числа работающих в ко-
тельной и на вспомогательных сооружениях угольной элек-
тростанции той же мощности.
Сравнение возможных характеристик атомной и уголь-
ной электростанций мощностью по 100 тыс. кет указывает на
перспективность атомных станций, аналогичных первой
атомной электростанции СССР.
Атомная электростанция уже сейчас более экономична
по сравнению с угольной станцией, находящейся далеко от
района добычи угля или работающей на низкосортном топ-
ливе.
Значение первой в мире атомной электростанции СССР
огромно. Впервые в промышленных масштабах практически
осуществлено превращение ядерной энергии в электриче-
скую и тем самым доказана возможность мирного исполь-
зования огромных запасов ядерного горючего для блага че-
ловечества.
Положительный опыт эксплуатации первой атомной
электростанции и успешные физические и инженерные ис-
следования в области атомной энергетики позволили нам
приступить к проектированию и строительству мощных
атомных электростанций разных типов.
О грандиозной программе использования ядерной энер-
гии для энергетических целей, осуществляемой в Советском
Союзе, рассказал акад. И. В. Курчатов в статье «Некоторые
вопросы развития атомной энергетики в СССР»1.
Советский Союз располагает разнообразными природ-
ными энергетическими ресурсами на просторах Сибири.
1 См. сборник «Проблемы использования атомной энергии», Воен-
издат, М., 1956 г.
153
Богатые водные ресурсы позволяют получать в Сибири де-
шевую гидроэнергию, а на базе угольных карьеров — деше-
вую электрическую и тепловую энергию.
На ближайшие десятилетия имеющихся у нас ресурсов
будет достаточно в Европейской части СССР, но в несколько
более отдаленном будущем ядерная энергия может ока-
заться тем практически неисчерпаемым и относительно де-
шевым источником, который обеспечит изобилие энергии в
этой части страны.
Мы ставим задачу создать атомную энергетику, которая,
по крайне мере для условий Европейской части Союза, бу-
дет экономически более выгодной, чем угольная энергетика.
В связи с этим намечается строить крупные атомные
электростанции мощностью на первое время около
400—600 тыс. кет каждая; только на крупных атомных элек-
тростанциях можно достигнуть экономически выгодных по-
казателей. В 1956—1960 гг. намечено построить 5 больших
атомных электростанций. По этой программе станции будут
входить в строй с конца 1958 г.; часть их начнет работать в
1959 г., а некоторые — в 1960 г.
Атомные электростанции будут строиться в первую оче-
редь в районах с дальнепривозным топливом. Поэтому две
атомные электростанции общей мощностью в 1 млн. кет на-
мечено построить на Урале. Атомная электростанция мощ-
ностью в 400 тыс. кет будет построена также вблизи от
Москвы. Общая мощность атомных электростанций, кото-
рые должны быть пущены в шестой пятилетке, составит
2—2,5 млн. кет и будет сравнима с мощностью такой круп-
нейшей в мире электростанции, как, например Куйбышев-
ская. Мощность вводимых в строй атомных электростанций
превосходит, судя по опубликованным данным, аналогичные
планируемые мощности атомных электростанций США и
Англии.
Успехи, достигнутые в последнее время в развитии атом-
ной энергетики, дают основание предполагать, что в недале-
ком будущем могут быть созданы передвижные атомные
электростанции. Такие энергетические установки с успехом
могут быть использованы в качестве источников электро-
энергии в районах, отдаленных от баз снабжения горючим
или подвергшихся сильному разрушению. Особенно эффек-
тивно передвижные атомные электростанции, смонтирован-
ные на автомашинах, могут быть использованы в войсках
для обеспечения электроэнергией ремонтно-восстановитель-
ных частей и для производства других разнообразных работ.
154
2. Атомные электрические батареи
На атомных электростанциях тепло, выделяющееся в
реакторе, сначала преобразуется с помощью пара в механи-
ческую энергию, а уже затем в электрическую. Такой метод
получения электрической энергии принципиально ничем не
отличается от аналогичного метода, используемого в паро-
силовых установках обычных тепловых электростанций.
Наука давно уже установила, что коэффициент полез-
ного действия любой тепловой установки тем больше, чем
больше разность температур между нагревателем (пароге-
нератором) и холодильником (конденсатором). Цепная
реакция, осуществляемая в реакторе, позволяет в принципе
получать очень высокие температуры, при которых коэффи-
циент полезного действия установки приблизился бы к 100%.
Однако отсутствие жаропрочных материалов, способных
выдерживать высокие температуры, ограничивает реализуе-
мые в реакторах температуры несколькими сотнями граду-
сов, в связи с чем коэффициент полезного действия мощных
атомных электростанций оказывается такого же порядка,
как и у обычных тепловых электростанций (25—30%).
Возникает вопрос: нельзя ли избежать всех этих слож-
ных и многократных превращений атомной энергии? Воз-
можны ли другие пути превращения атомной энергии в элек-
трическую? Оказывается, возможны, и притом несколько.
Один из намечающихся путей заключается в непосред-
ственном превращении тепла, выделяющегося в цепной
реакции или при радиоактивном распаде, в электрическую
энергию с помощью так называемых термоэлектрических
батарей или генераторов.
Физические основания этого следующие. Если взять две
разнородные проволочки (например, железную и константа-
новую) и спаять их концы, образовав замкнутую цепь, то
при нагревании одного из спаев в цепи течет электрический
ток. Такая пара из двух спаянных разнородных проводников
получила название термопары, или термоэлемента. Часть
тепловой энергии, нагревающей горячий спай, превращается
в термоэлементе в электрическую энергию. Коэффициент
полезного действия термоэлемента из металлических про-
водников очень мал и не превышает 0,5%. Но, как показали
советские физики, руководимые акад. А. Ф. Иоффе, термо-
элемент, состоящий из металлического проводника и полу-
проводника или из двух разнородных полупроводников,
имеет более высокий коэффициент полезного действия, до-
стигающий 7—10%. А это не так уж мало, если вспомнить,
155
например, что коэффициент полезного действия паровоза
составляет 4—6%.
Система из множества термоэлементов, включенных по-
следовательно (иногда и параллельно), называется термо-
электрической батареей, или термоэлектрическим генерато-
ром. Первое практическое применение подобных генераторов
Рис. 52. Керосиновый термо-
электрический генератор
осуществлено в Советском Союзе в целях радиофикации
отдаленных районов, не имеющих электрической энергии.
На рис. 52 приведена фотография керосинового термоэлек-
трогенератора (ТГК-3), разработанного в Институте полу-
проводников Академии наук СССР и предназначенного для
питания электрической энергией радиоприемника средней
мощности. Горячие газы лампы нагревают внутренние спаи
термоэлементов, наружные спаи охлаждаются окружающим
воздухом. На фотографии виден ребристый радиатор, при-
соединенный к наружным спаям для лучшего их охлажде-
ния.
156
Рис. 53. Вакуумный
атомный электриче-
ский элемент:
1 — металлический кор-
пус (коллектор); 2 —
внутренний электрод; 3 —
втулка-изолятор; 4 — ра-
диоактивное вещество
После ознакомления с керосиновым генератором
нетрудно будет понять идею конструкции атомной термо-
электрической батареи (термоэлектрогенератора).
Ядерный реактор в виде цилиндра из графитовой кладки
с урановыми стержнями окружается
башкой, внутрь которой вводятся
нагреваемые спаи последовательно
соединенных термоэлементов; холод-
ные спаи размещаются снаружи и
охлаждаются окружающим возду-
хом. Тепло, выделяющееся в реакто-
ре, нагревает внутренние спаи и под-
держивает тем самым разность тем-
ператур между ними и наружными
спаями. Вследствие этого в цепи тер-
моэлементов будет непрерывно про-
текать электрический ток. К сожале-
нию, такие батареи будут маломощ-
ными.
Возможен второй путь прямого
превращения атомной энергии в
электрическую с помощью батарей
другого типа, в которых используют-
ся радиоактивные излучения. Атом-
ные батареи этого типа собираются
из электрических элементов, прототипом которых является за-
рядное устройство, описанное английским физиком Г. Мозли
еще в 1913 г. Устройство такого элемента можно представить
себе следующим образом (рис. 53). Внутрь металлического
корпуса 1 вводится электрод 2, изолированный кварцем или
янтарем 3 и покрытый тонким слоем какого-либо радио-
активного изотопа 4. Воздух из такого устройства выкачи-
вается. Если изотоп испускает, например, бета-частицы, то
внутренний электрод 2, теряя отрицательный заряд, будет
заряжаться положительно, а внешний электрод (корпус) —
отрицательно. Внешний электрод является здесь собирателем
(коллектором) бета-частиц (электронов). По мере накопле-
ния зарядов на электродах такого элемента напряжение бу-
дет увеличиваться и достигнет большой величины, измеряе-
мой иногда многими десятками тысяч вольт. Сила тока
такого элемента очень мала и имеет величину порядка мил-
лиардных долей ампера. Но так как сила тока пропорцио-
нальна количеству изотопа в элементе, то, взяв большое
количество изотопа и соединив несколько таких элементов
157
параллельно в батарею, можно получить от нее несколько
больший ток.
Рис. 54. Атомный электрический эле-
мент с твердым диэлектриком:
1 — металлический коллектор, 2 — внутренний
электрод; 3 — втулка-изолятор; 4 — радиоактив-
ное вещество; 5 — диэлектрик (полистирол);
6 — свинцовый экран; 7 — оболочка
Батареи такого типа используются как источники анод-
ного напряжения либо в электронно-лучевых трубках, либо
в устройствах для ускорения отдельных заряженных частиц.
Зарядка внешнего электрода радиоактивным 'излуче-
нием может осуществляться через тонкий слой твердого ди-
электрика (рис. 54). Такой элемент не нуждается в вакууме.
Для защиты от радиоактивных излучений целесообразно
экранировать элемент слоем свинца.
Третий и наиболее перспективный путь прямого превра-
158
щения атомной энергии в электрическую связан с примене-
нием атомных электрических элементов с умножением тока
на полупроводниковом контакте. Упрощенная схема такого
элемента дана на рис. 55.
Источником бета-частиц (электронов) здесь служит ис-
кусственно радиоактивный стронций 90. Излучаемые им
электроны, пронизывая пластинку полупроводника (напри-
мер, кремния), размножаются, выбивая новые электроны из
атомов кремния. На один первичный электрон образуются
сотни тысяч новых (вторичных) электронов. Контакт крем-
0 5 0
Рис. 55. Атомный электрический эле-
мент с умножением тока:
1 — металлическая подвижная опора; 2 —
радиоактивный стронций (источник элек-
тронов); 3 — полупроводник (кремний); 4 —
металл индий, 5 — клеммы
ний — индий обладает замечательным свойством: он пропу-
скает электроны только в одном направлении, в результате
чего облучаемый кремний приобретает заряд одного знака,
а индий — противоположного. Если теперь к кремнию и ин-
дию присоединить проводники, то в цепи будет течь электри-
ческий ток. Атомный элемент на кремнии дает напряжение
порядка 0,25 в и ток короткого замыкания 10-5 а.
Появление атомных батарей является доказательством
возможности прямого превращения ядерной энергии в элек-
трическую и представляет несомненный научный и практи-
ческий интерес.
Атомные батареи, использующие радиоактивные излуче-
ния, могут действовать без смены радиоактивного вещества
длительное время, определяемое периодом полураспада ис-
159
пользуемого радиоактивного изотопа. Так, например, про-
должительность непрерывной работы обычной сухой бата-
реи измеряется десятками и в лучшем случае сотнями
часов, тогда как срок службы стронциевой батареи исчис-
ляется многими годами. Мощность стронциевой атомной
батареи уменьшается в 2 раза лишь примерно через 20 лет.
Кроме того, атомные батареи «в отличие от обычных дают
постоянное напряжение («не садятся») независимо от про-
должительности их работы. Весьма важным свойством
атомных батарей является их портативность. Один атомный
элемент со стронцием 90 имеет размеры не более наперстка.
Атомные электрические батареи могут найти применение
в первую очередь в переносных радиостанциях, полевых те-
лефонных аппаратах, полевой дозиметрической аппаратуре
и т. д., т. е. там, где от источников электрической энергии
требуются малые размеры и вес. Если учесть большую на-
сыщенность современных войск подобной аппаратурой, то
нетрудно будет понять, насколько упростится ее обслужива-
ние и снабжение источниками электрической энергии благо-
даря применению атомных батарей.
К сожалению, атомных батарей, рассчитанных на отдачу
значительной мощности, до сих пор еще нет. Несомненно,
однако, что дальнейшее усовершенствование конструкции
атомных батарей и изобретение новых их типов будет спо-
собствовать созданию в ближайшем будущем атомных бата-
рей большой мощности.
Одним из серьезных недостатков атомных батарей яв-
ляется обязательное наличие свинцовой защиты от радио-
активных излучений.
3. Атомные двигатели
Производство электрической энергии атомными электро-
станциями является одним из генеральных путей использо-
вания ядерной энергии. Наряду с этим имеются и другие
пути. В директивах XX съезда указано: «Развернуть работы
по созданию силовых установок для транспортных целей. По-
строить ледокол с атомным двигателем». Применение атом-
ных двигателей на всевозможных транспортных установках
представляет собой второй важный путь использования
ядерной энергии. Проблеме атомных двигателей посвящены
целые книги L Поэтому рассмотрим этот вопрос кратко.
1 См., например, Г. Н. Нестеренко, А. М. Соболев и
Ю. Н. Сушков. Применение атомных двигателей в авиации, Воен-
издат, 1957 г.
160
Атомный двигатель — это машина, преобразующая энер-
гию ядерного горючего в механическую энергию вращения.
Основой атомного двигателя любой возможной конструк-
ции является ядерный реактор того или другого типа.
Основным преимуществом атомного двигателя по сравне-
нию с двигателями, работающими на обычном химическом
топливе, является чрезвычайно малый расход ядерного го-
рючего. Так, например, если при пробеге автомашины
«Победа» на 100 тыс. км, ее двигатель расходует около
10—11 т бензина, то для атомного двигателя такой же мощ-
ности и при том же пробеге потребовалось бы израсходо-
вать всего лишь 6 г урана. Атомный двигатель, равный по
мощности Днепрогэсу имени В. И. Ленина (600 тыс. кет),
расходовал бы в сутки около 600 г урана 235.
Малый расход ядерного горючего приобретает особо
важное значение, когда требуется обеспечить непрерывную
работу двигателя в течение большого времени без доза-
правки горючего. Это значит, например, что воздушный ко-
рабль с атомным двигателем, близкий по размерам к со-
временному тяжелому самолету, сможет совершить круго-
светный полет без посадки и без дозаправки горючего; та-
кой полет на самолете с обычным двигателем, требующим
огромного количества топлива, невозможен.
Применение ядерного горючего может дать принципиаль-
ное решение и проблеме межпланетных полетов с помощью
ракет. Как известно, для того чтобы ракета могла преодо-
леть силу земного тяготения и уйти в мировое простран-
ство, она должна иметь скорость не менее 11 200 м/сек.
Оказывается, что вес лучшего химического топлива, необхо-
димого для этого, должен составить более 96% полного на-
чального веса ракеты. Это обстоятельство налагает на кон-
струкцию ракеты практически невыполнимые требования.
Положительным свойством атомного двигателя является
и то, что для его работы не требуется воздух, без которого
невозможно сжигание топлива в обычном тепловом двига-
теле.
Существенным недостатком атомного двигателя яв-
ляется необходимость окружать ядерный реактор тяжелой
биологической защитой. На стационарных силовых установ-
ках это обстоятельство не имеет большого значения. А вот
для транспортных установок проблема защиты от излучения
реактора создает большие трудности.
Удельный вес биологической защиты по сравнению с об-
щим весом атомного двигателя тем меньше, чем больше его
П В. А. Михайлов 161
мощность. Поэтому двигатели большой мощности более це-
лесообразны. А если учесть еще и расход горючего, то полу-
чится, .как это показывают расчеты, что атомный двигатель
большой мощности оказывается легче обычной паросиловой
установки, отягощенной огромным запасом необходимого
топлива.
С практической точки зрения все ядерные реакторы для
двигателей можно разделить на три категории.
Первые — не требующие специальной защиты от излуче-
ний, то есть предназначенные для двигателей, работающих
автоматически или управляемых на расстоянии.
Вторые — требующие мощной бетонной защиты в сотни
тонн, например, предназначенные для больших кораблей,
где реакторы должны быть расположены так, чтобы экипаж
и пассажиры были защищены от излучений.
Третьи — реакторы, нуждающиеся только в частичной
защите, которые можно использовать в локомотивах и на
больших самолетах. Очевидно, что реактор, установленный
на самолете, может иметь одну хорошо защищенную сто-
рону. Остальные пять сторон, не обращенные к кабине, мо-
гут иметь незначительную защиту.
Отсюда видно, что применение атомного двигателя в
авиации является перспективным в первую очередь для са-
молетов-снарядов, ракет дальнего действия и управляемых
на расстоянии снарядов, то есть тогда, когда на летающем
аппарате нет экипажа и поэтому нет надобности устраивать
тяжелую защиту от излучений реактора.
Атомные двигатели могут строиться по типу стационар-
ных паросиловых установок (паровых двигателей) атомных
электрических станций. Основными элементами оборудова-
ния таких двигателей являются: 1) ядерный реактор, играю-
щий роль «топки», 2) парогенератор — «паровой котел» и
3) паровая турбина. Если вместо паровой турбины приме-
нить газовую турбину, приводимую в движение газом, на-
греваемым в самом реакторе, то парогенераторы не потре-
буются. Такого типа атомные двигатели можно использо-
вать на морских надводных и подводных кораблях и на же-
лезнодорожных локомотивах — атомовозах.
Расчеты показывают, что для морских кораблей, пред-
назначенных для автономного плавания в морях и океанах,
атомный двигатель уже в настоящее время оказывается в
принципе целесообразнее любого другого двигателя. В соот-
ветствии с этим выводом находится решение XX съезда
162
КПСС, предусмотревшего в своих директивах строительство
первого в мире атомного ледокола «Ленин».
Первенец советского' атомного судостроения могучий
корабль. Маке г ледокола дан на рис. 56. Основные дан-
ные его следующие: длина корпуса 134 ж, максимальная
ширина 27,6 м, водоизмещение 16 тыс. т, мощность атомных
двигателей 44 тыс. л. с., скорость на чистой воде 18 узлов.
Рис. 56. Макет ледокола «Ленин» с атомным двигателем
На ледоколе использована двухконтурная система тепло-
передачи, аналогичная той, которая с успехом работает на
первой атомной электростанции СССР. Вода, выводящая
тепло из реактора, использована в парогенераторах для пре-
вращения в пар воды второго контура. Пар поступит в
турбогенераторы и приведет их во вращение. Таким обра-
зом, ядерная энергия будет превращаться здесь в электри-
ческую, которая в свою очередь приведет в движение мощ-
ные моторы, соединенные с гребными валами.
Всем известны прославленные советские ледоколы
«Ермак» и «Красин». Более 100 т угля в сутки расходует в
плавании такой корабДь, каждый месяц он вынужден по-
полнять запасы топлива, «бункероваться», как говорят мо-
ряки, хотя более 30% его помещений используется для хра-
нения топлива. Вот почему эти ледоколы вынуждены пла-
вать преимущественно в прибрежных арктических морях
поблизости от портов и топливных баз.
Атомный ледокол не нуждается в частых пополнениях
запасов топлива. Вследствие огромной «теплотворной спо-
собности» ядерного горючего корабль будет «сжигать» в
сутки кусок урана 235 величиной примерно со спичечную
коробку. Отсюда станет понятным, почему атомный ледокол
сможет непрерывно действовать во льдах, не заходя в порты
в течение 12 месяцев и более. В продолжительности плава-
11* 163
ния — главное достоинство атомного ледокола. Но у него
есть и другие преимущества.
Ледокольные качества корабля обычно характеризуются
его энерговооруженностью, которая определяется делением
мощности его двигателей на водоизмещение. Энерговоору-
женность ветерана нашего арктического флота «Ермака»
составляет 1 л. с. на тонну водоизмещения. У атомного ле-
докола она намного больше и [равна 2,75 л. с. на каждую
тонну.
Атомный ледокол «Ленин» наиболее крупный и самый
мощный ледокол в мире. Он сможет уверенно проводить ка-
раваны судов в сплошных ледяных полях, удаляясь от базы
на многие тысячи километров. И кто знает, может быть,
именно атомный ледокол сможет осуществить в будущем
мечту выдающегося русского моряка и флотоводца, созда-
теля «Ермака» С. О. Макарова: «Пройти к полюсу напро-
лом».
Атомные двигатели могут строиться не только по типу
паросиловых установок, возможны и другие конструктивные
решения, особенно необходимые для самолетов и ракет.
Ядерные реакторы должны иметь в этом случае возможно
более компактное устройство. Естественно поэтому предпо-
лагать, что широкое применение в атомных двигателях по-
лучат гомогенные реакторы, воспроизводящие частично
ядерное горючее и имеющие относительно небольшие раз-
меры.
Одним из перспективных гомогенных реакторов для
атомных силовых установок является кипящий ядерный
реактор («кипящий» котел), разработанный коллективом со-
ветских ученых во главе с акад. А. И. Алихановым в не-
скольких вариантах. В этом реакторе чистое ядерное горю-
чее (уран 235, уран 233 или плутоний 239) применяется в
виде взвеси в обыкновенной или тяжелой воде. При дости-
жении критического объема, что осуществляется путем по-
степенного увеличения количества смеси, в ней идет цепная
реакция. Раствор нагревается и кипит.
Расчеты показывают, что для небольшого кипящего го-
могенного реактора на 1 тыс. кет электрической мощности
потребуется 0,3—0,7 кг урана 235 и 200—300 кг тяжелой
воды. При сооружении «кипящего» котла большей мощно-
сти относительное количество необходимых материалов
сильно уменьшается.
164
Особенно выгодным становится применение кипящих
котлов при значительном воспроизводстве ядерного горю-
чего.
Расчеты советских ученых показывают, что вес атомного
двигателя мощностью 15 тыс. л. с. будет значительно
меньше веса газотурбинной установки такой же мощности.
4. Применение радиоактивных изотопов
Помимо тех двух путей использования- атомной энергии,
о которых рассказано выше, имеется еще один путь, связан-
ный с применением радиоактивных веществ и излучений.
Некоторые возможности для этого стали известны уже в
первые десятилетия после открытия радиоактивности. Но
исключительно высокая стоимость радия и продуктов его
распада ограничивала их использование в основном лишь
пределами научных лабораторий. Только после того как
была открыта искусственная радиоактивность и возмож-
ность в ядерных реакторах сравнительно дешевого произ-
водства разнообразных радиоактивных изотопов, вопрос об
их применении в народном хозяйстве мог быть решен.
Искусственные радиоактивные изотопы могут быть полу-
чены, как известно, при бомбардировке разных веществ за-
ряженными частицами (альфа-частицами, протонами
и т. д.) или нейтронами. Первый способ осуществляется в
ускорителях заряженных частиц, а второй, имеющий боль-
шее практическое значение, — в ядерных реакторах.
Ядерные реакторы позволяют получать радиоактивные
изотопы в огромных количествах. Радиоактивные изотопы
нескольких десятков химических элементов средней части
периодической системы Менделеева получаются в реакторах
сами собой как продукты деления — «шлаки»; поэтому стои-
мость их весьма невелика. Те же изотопы, которые отсут-
ствуют в шлаках, могут быть произведены в реакторах пу-
тем обручения Потоком нейтронов соответствующих веществ.
Для такого облучения в защитной стенке реактора делаются
специальные каналы, куда и помещаются на некоторое
время облучаемые вещества. В результате бомбардировки
этих веществ мощным потоком нейтронов, летящих из ак-
тивной зоны реактора, и получаются радиоактивные изо-
топы. Сейчас имеется возможность получать радиоактивные
изотопы любых химических элементов.
К концу шестой пятилетки количество радиоактивных
изотопов, вновь рождаемых в ядерных реакторах Советского
Союза, будет эквивалентно по крайней мере 10 тыс. т ра-
165
дия. Если вспомнить, что во всем мире к началу работ по
атомной энергии имелось всего несколько килограммов ра-
дия, то станет ясным, что в настоящее время, в деле использо-
вания радиоактивных веществ происходит крупнейшая рево-
люция. Производство изотопов в столь больших масштабах
обеспечивает дальнейшее расширение их использования в
технике, сельском хозяйстве, медицине и в научных исследо-
ваниях. В директивах XX съезда КПСС указано: «Всемерно
развивать работы по дальнейшему использованию радио-
активных излучений в промышленности, сельском хозяйстве
и медицине, в частности, для контроля за качеством мате-
риалов, для управления производственными процессами и
автоматического регулирования этих процессов, а также
для диагностики и лечения различных болезней. Шире ис-
пользовать применение меченых атомов в научно-исследо-
вательских работах».
Расширение работ по применению радиоактивных излу-
чений и изотопов должно дать в ближайшие годы крупный
экономический эффект. Как указал в своем выступлении на
XX съезде КПСС акад. И. Курчатов, широко' применяя ра-
диоактивные изотопы и излучения, например, в сельскохо-
зяйственном производстве нашей страны, можно в ближай-
шие годы получить годовую экономию в миллиарды рублей.
Применению радиоактивных изотопов посвящена отдель-
ная книжка \ поэтому остановимся на этом кратко.
Одним из важных направлений применения радиоактив-
ных изотопов является метод меченых атомов, упоминаемый
в Директивах XX съезда КПСС. Мечеными атомами назы-
вают атомы радиоактивных веществ, потому что благодаря
их излучению их всегда можно обнаружить и отличить от
других атомов того же вещества. Чтобы дать представление
об их применении, приведем несколько примеров.
Вводя в организм человека, животного или растения то
или иное вещество- с примесью небольшого количества мече-
ных его атомов, можно по их излучению, регистрируемому,
например, газовым счетчиком, установить пути и скорость
распространения этого вещества, места накопления и выяс-
нить ряд вопросов, важных для изучения биологических про-
цессов. При этом методе жизненные процессы изучаются в
их естественном течении, без каких-либо операций, нару-
шающих их нормальный ход.
1 А. Несмеянов. Применение радиоактивных изотопов, Воен-
издат.
166
С помощью меченых атомов была установлена скорость
циркуляции крови. Для этого человеку вводили в руку под-
кожно раствор соли, меченный радиоактивными атомами
натрия. Через 17 секунд газовый счетчик, зажатый в другой
руке, отмечал появление радиоактивности.
При помощи меченого углерода было установлено, что
углекислый газ поглощается листьями растений не только
днем под действием света, как это думали раньше, но и
ночью, в темноте, и притом не только листьями, но и кор-
нями растений.
Много удивительных открытий было сделано в науке при
помощи меченых атомов.
Значительное применение радиоактивные изотопы полу-
чают при контроле износа деталей машин, для определения
скорости выгорания огнеупорного слоя кирпича в доменных
печах и т. д. Для этого в изнашиваемую деталь (например,
в поршневые кольца двигателей, шарикоподшипники, резцы,
огнеупорный слой домны и т. д.) вводятся радиоактивные
вещества. Во время работы такой детали продукты износа,
содержащие меченые атомы, уносятся (смазкой, стружками
обрабатываемой детали, расплавленным металлом) и могут
быть зарегистрированы соответствующим счетчиком. По ко-
личеству приносимого радиоактивного вещества можно су-
дить о величине износа. Метод меченых атомов отличается
высокой чувствительностью. При его помощи можно заме-
тить снашивание детали на одну стомиллионную долю
грамма, причем измерение износа производится в процессе
работы машины без остановки и разборки ее, что также
имеет большое значение.
При помощи меченых атомов можно осуществить устрой-
ства, которые автоматически сигнализируют, когда износ
ответственной детали какой-либо сложной машины, напри-
мер мощной турбины гидроэлектростанции, достигает пре-
дельно допустимой величины. Для этого на заданной глу-
бине от поверхности трущейся детали следует поместить не-
большое количество радиоактивного изотопа. Как только
деталь сносится на эту глубину, начнется стирание этого
изотопа. Тогда в продуктах износа, уносимых смазкой,
появятся меченые атомы, излучение которых и приведет в
действие сигнальную аппаратуру.
Радиоактивные (ядерные) излучения также получили
разнообразные применения. Гамма-излучение радиоактив-
ного кобальта 60 широко используется, например, в про-
мышленности для просвечивания всевозможных отливок и
167
обнаружения в них раковин, трещин и других дефектов.
Применявшиеся для этой цели рентгеновские лучи позво-
ляли просвечивать лишь отливки небольшой толщины. Бла-
годаря большой проникающей способности гамма-лучей
удается просвечивать изделия толщиной до 20 см. Преиму-
щество этого метода заключается еще и в том, что для его
осуществления не нужны сложные установки, подобные
рентгеновским.
При горячей прокатке необходим строгий контроль за
толщиной металла. Для этого под прокатываемым изде-
лием (лентой жести, например) помещается кобальт 60,
гамма-излучение которого, проникая сквозь изделие, реги-
стрируется соответствующим прибором. Чем больше тол-
щина изделия, тем сильнее будут поглощаться лучи, тем
меньше будет ток в регистрирующем приборе. Если связать
этот прибор с механизмом, управляющим валками прокат-
ного стана, то при увеличении толщины изделия автомати-
чески произойдет увеличение давления валков, а при умень-
шении толщины, наоборот, давление валков уменьшится.
Таким образом, будет происходить автоматический контроль
и регулирование толщины проката.
При определении толщины слабо поглощающих материа-
лов (бумага, картон, целлофан и т. д.) используются силь-
нее поглощающиеся бета-лучи соответствующих изотопов.
На применении радиоактивных излучений основан ряд кон-
трольно-измерительных приборов для металлургии, химиче-
ской, текстильной, бумажной и других отраслей промышлен-
ности.
В печати указывалось, что радиоактивные излучения мо-
гут использоваться для уничтожения электрических зарядов,
накапливающихся на передней кромке крыла самолета
вследствие трения о воздух. Кромка покрывается для этого
радиоактивным веществом, излучения которого, ионизируя
частицы воздуха, позволяют стекать статическим зарядам.
Многочисленными работами, проведенными в научных
учреждениях Советского Союза, установлено, что радиоак-
тивные излучения являются также мощным средством воз-
действия на различные вещества и процессы.
Стерилизующее действие радиоактивных излучений
открывает возможность их практического использования для
консервирования и пастеризации пищевых продуктов, для
стерилизации медицинских и фармацевтических препаратов,
для уничтожения вредителей зерна и борьбы с сельскохо-
зяйственными вредителями в полевых условиях.
168
Разнообразным применениям радиоактивных изотопов и
излучений была посвящена специальная Всесоюзная научно-
техническая конференция, состоявшаяся в апреле 1957 г.
в Москве. Об огромном размахе работы, ведущейся в этом
направлении в Советском Союзе, можно судить хотя бы по
тому, что на этой конференции было заслушано свыше
400 докладов по наиболее актуальным вопросам науки и
техники, связанным с применением изотопов и радиоактив-
ных излучений в народном хозяйстве и науке.
— о ~
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
О книге рассказано о том, как в настоящее время получают
ядерную энергию. Для этого используют реакцию деле-
ния некоторых тяжелых ядер и реакцию соединения самых
легких ядер. Первая реакция может быть осуществлена как
в виде взрыва, так и в виде медленно протекающего контро-
лируемого цепного процесса. Вторая реакция воспроизво-
дима пока только в форме взрыва. Физики усиленно рабо-
тают над тем, чтобы обуздать эту реакцию и сделать ее
управляемой.
Круг веществ, имеющихся в природе и пригодных для
получения ядерной энергии, в настоящее время невелик; это
в основном уран, торий и водород. Однако количество энер-
гии, которое может быть из них освобождено, необычайно
велико, практически безгранично. Только уран и торий,
имеющиеся на Земле, могут дать энергии примерно в 20 раз
больше, чем все известные мировые запасы нефти, камен-
ного угля и природных горючих газов, вместе взятых.
Энергия, которую мы научились освобождать в извест-
ных нам реакциях составляет лишь небольшую часть той
энергии, которая заключена в ядрах вещества. Так, при де-
лении ядер урана освобождается лишь около одной тысяч-
кой доли всей энергии этих ядер. Если же найти новые ядер-
ные реакции, в которых доля освобождающейся энергии бу-
дет больше, и расширить число веществ, пригодных для
получения атомной энергии, то станет понятным, какое изо-
билие энергии для нужд человека может быть создано на
этой основе. Бурное развитие ядерной физики, происходя-
щее в настоящее время, делает эту заманчивую перспек-
тиву вполне вероятной.
170
Наука все глубже проникает в тайны строения вещества,
блестяще подтверждая своими новыми открытиями гениаль-
ное предвидение В. И. Ленина, высказанное им еще в 1908 г.
«Разрушимость атома, — писал Владимир Ильич, — неис-
черпаемость его, изменчивость всех форм материи и ее дви-
жения всегда были опорой диалектического материализма.
Все грани в природе условны, относительны, подвижны, вы-
ражают приближение нашего ума к познанию материи... Ум
человеческий открыл много диковинного в природе и от-
кроет еще больше, увеличивая тем свою власть над ней...»
(Соч., т. 14, стр. 268.)
Однако в использовании возможностей, открываемых
атомной энергией, есть разные пути. Один путь — это опас-
ный путь подготовки атомной войны. По этому пути идут
правящие круги США, ведущие бешеную гонку атомных
вооружений. Факты показывают, что правящие круги США
поставили ядерную энергию на службу военным целям, они
снабжают ядерным оружием некоторые капиталистические
страны и разрабатывают конкретные планы атомной войны.
Провокационными разговорами о мнимой «коммунистиче-
ской опасности» они рассчитывают отвлечь внимание аме-
риканского народа, и особенно народов Западной Европы,
от действительной опасности, которую несут им авантюри-
стические планы атомной войны. Под фальшивой ширмой
«защиты свободного мира» они ставят под угрозу само су-
ществование западноевропейских стран с их малой тер-
риторией, густым населением и крупными промышленными
центрами, а также подвергают серьезной опасности и Соеди-
ненные Штаты.
Американские империалисты, организуя свои военные
базы в Европе и других частях света, снабжая некоторые
капиталистические страны атомным оружием, видимо, рас-
считывают, что в случае войны в Европе или Азии им
удастся, как и прежде, отсидеться за океаном и избежать
разрушительных и уничтожающих ударов. Но это слишком
наивные расчеты.
Сейчас в мире нет такого уголка, где мог бы укрыться
агрессор. Советские Военно-Воздушные Силы способны на-
нести сокрушительные удары по любому противнику, где бы
он ни находился, где бы он ни прятался.
Истекшие после второй мировой войны годы характери-
зуются стремительным развитием военной техники и
особенно ядерного оружия, мощность взрыва которого ис-
числяется многими миллионами тонн тротила. Быстро разви-
171
вается ракетная техника, изобретены такие виды современ-
ного оружия, как межконтинентальные баллистические
снаряды с термоядерным зарядом. Появление этих видов
военной техники на вооружении государств сделало уязви-
мым практически любой пункт земного шара.
Происходящая сейчас гонка вооружений и особенно со-
стязание в производстве атомного, водородного и ракетного
оружия угрожающим образом ухудшают международную
обстановку. Расширение масштабов и наращивание темпов
гонки атомных вооружений, усилившиеся за последнее
время приготовления стран НАТО к атомной войне вызы-
вают вполне понятное и законное беспокойство во всем
мире. Много ли сейчас найдется людей, которые не осо-
знают, какими неисчислимыми бедствиями грозит человече-
ству война с применением атомного и водородного оружия?
Нетрудно себе представить, какой губительный характер
приняла бы война при современном развитии ядерной и ра-
кетной техники, которая к тому же каждый день приносит
что-либо новое. Без преувеличений можно сказать, что взрыв
только одной водородной бомбы способен вызвать такие тя-
желые последствия на огромных территориях, каких не
несли с собой десятки тысяч снарядов и бомб, применяв-
шихся в прошлых мировых войнах. Нескольких водородных
бомб вполне достаточно, чтобы превратить в зону пустыни
огромные территории. А ведь ни для кого не секрет, что если
дело дойдет до применения ядерного оружия, то будет взор-
вано немало таких водородных бомб.
Хорошо известно также, что сегодня имеются не только
атомные и водородные бомбы, но существует колоссальной
разрушительной силы ракетное оружие, применение кото-
рого в войне способно в течение нескольких часов посеять
смерть и опустошения на территории целых государств. Сте-
пень развития этого оружия в настоящее время такова, что
фактически не имеется места на земном шаре, которое могло
бы быть убежищем для агрессора. Незачем говорить о том,
какая судьба постигла бы те государства, которые стали бы
соучастниками агрессии.
Разрушительная сила современного оружия такова, что
удары, нанесенные с целью подавления баз агрессора, неиз-
бежно поразят большие районы вокруг этих баз. Это озна-
чало бы катастрофу даже для государств, имеющих боль-
шую территорию, чем, например, многие страны НАТО, пре-
доставившие базы США. Что это так, видно хотя бы из того,
что, как показали испытания, одна водородная бомба может
172
вызвать разрушения в радиусе до сотен километров. Спра-
шивается, что же тогда сказать о последствиях применения
нескольких таких бомб?
Следует заметить, что с появлением баллистических и
иных ракет большой мощности, скорости и точности, воен-
ные базы, расположенные вокруг Советского Союза и стран
народной демократии и на которые большие надежды возла-
гают политические и военные деятели капиталистического
лагеря, уже потеряли свое былое значение.
Теперь уже нет сомнений в том, что в случае возникнове-
ния новой войны с применением ядерного оружия послед-
ствия такой войны окажутся исключительно тяжелыми для
участвующих в ней государств, особенно для стран с высо-
кой плотностью населения и с большой концентрацией про-
мышленности. Во всех странах мира ширится движение за
запрещение ядерного оружия. Например, 18 видных западно-
германских ученых-атомников (М. Борн, О. Ган, М. Лауэ,
Ф. Штрассман и др.) в своем обращении к общественности
Федеративной Республики Германии выступили против во-
оружения бундесвера ядерным оружием и предупредили
о той опасности, которая угрожает человечеству в случае
атомной войны. Известно, что представители правительствен-
ных Кругов Федеративной Республики Германии утверждают,
что тактическое ядерное оружие будто бы представляет собой
всего лишь усовершенствованную артиллерию и что приня-
тие его на вооружение якобы не связано ни с какой опасно-
стью для ФРГ. В противовес этому западногерманские уче-
ные указывают, что «одна тактическая атомная бомба может
разрушить небольшой город», что тактические атомные
бомбы или атомные снаряды имеют такую же разрушитель-
ную силу, как и первые атомные бомбы, сброшенные на Хи-
росима и Нагасаки. «Одна же водородная бомба, — заяв-
ляют ученые, — может сделать временно не пригодным для
жизни район величиной с Рурскую область. При помощи
водородных бомб, в результате распространения радиоактив-
ности, можно, вероятно, уже теперь истребить население Фе-
деративной республики».
То же можно сказать о последствиях бомбардировки
водородными бомбами и термоядерным ракетным, оружием
такой сравнительно небольшой и густо населенной террито-
рии, как Британские острова. По словам известного англий-
ского ученого Дж. Бернала, полдюжины водородных бомб
смели бы -с лица земли города и промышленные предприя-
тия Англии.
173
Советский Союз никому не угрожает и ни на кого не со-
бирается нападать. Советский народ стоял и стоит за запре-
щение атомного и водородного оружия с установлением дей-
ственного международного контроля. Советское правитель-
ство считает, что государства должны взять на себя перед
лицом народов всего мира торжественное обязательство об
отказе от применения в военных целях атомного и водород-
ного оружия всех видов, в том числе авиационных бомб, ра-
кет любого радиуса действия с атомным и водородным за-
рядами, атомной артиллерии и т. п.
Что касается вопроса о полном запрещении ядерного
оружия с изъятием его из вооружений государств, прекра-
щением производства и уничтожением запасов этого ору-
жия, то государства должны приложить все усилия к дости-
жению соглашения по этому вопросу. Учитывая особую не-
отложность вопроса о прекращении испытаний атомного и
водородного оружия, целесообразно в настоящее время вы-
делить этот вопрос из общей проблемы атомного и водород-
ного оружия в качестве первоочередного мероприятия и ре-
шить его безотлагательно.
Советский Союз идет по пути мира и использования
ядерной энергии в мирных целях, для всестороннего разви-
тия экономики и культуры народов.
Коммунистическая партия и Советское правительство' по-
следовательно борются за то, чтобы навсегда избавить чело-
вечество от опасности атомной войны и открыть путь для са-
мого широкого использования ядерной энергии в мирных це-
лях. Хотя Советский Союз в целях защиты мирного труда и
жизни своих народов должен был обеспечить себя атомным
и термоядерным оружием, советские ученые и инженеры на-
стойчиво работают над тем, чтобы заставить ядерную энер-
гию служить целям процветания человеческого общества.
В отличие от американских монополистов, предпочитаю-
щих отделываться словесными заявлениями о мирном ис-
пользовании ядерной энергии, а на деле готовиться к атом-
ной войне, советский народ конкретными практическими ме-
рами содействует использованию ядерной энергии в мирных
целях. Именно Советский Союз является родиной атомной
электростанции и «атомного света», открывших новую, атом-
ную эпоху в жизни человечества, тогда как родиной атом-
ной бомбы являются Соединенные Штаты Америки.
Мирный труд советского народа, строящего коммунизм,
надежно охраняют воины Советских Вооруженных Сил,
успешно овладевающие современной военной техникой и но-
174
вым оружием. Советское государство обеспечивает свои Во-
оруженные Силы всеми видами современного вооружения и
боевой техники, включая различные образцы ядерного ору-
жия. Советские Вооруженные Силы имеют теперь разно-
образное атомное и термоядерное оружие, мощное ракетное
и реактивное вооружение разных типов, в том числе ракеты
дальнего и сверхдальнего действия.
В подготовке войск необходимо исходить из характера
войны будущего. Будущая война во многом будет отли-
чаться от минувшей войны. Если она возникнет вопреки же-
ланиям миролюбивых народов, она будет вестись в крайне
напряженной обстановке как на суше, на море, так и в воз-
духе. Она охватит не только непосредственно театры воен-
ных действий, но и весь глубокий тыл воюющих сторон.
Успех ее будет зависеть от ряда факторов, в частности от
технического уровня и качества вооруженных сил, от мо-
рального духа, боевой выучки и мастерства войск.
Советские Вооруженные Силы должны быть в совершен-
стве подготовлены как к противоатомной защите нашей
Родины и войск, так и для эффективного применения атом-
ного и термоядерного оружия и в случае необходимости не-
медля нанести по агрессорам сокрушительные ответные
удары. В подготовке наших войск нужно исходить из того,
что у наших вероятных противников имеется достаточное
количество этого оружия и средств доставки его на нашу
территорию. Это обстоятельство обязывает наши Вооружен-
ные Силы, особенно Противовоздушную оборону страны,
Военно-воздушные силы, быть всегда готовыми пресечь лю-
бую попытку агрессора осуществить внезапное нападение на
нашу страну.
Всякая авантюра с развязыванием новой мировой войны
неизбежно окончится крахом для агрессоров; перед лицом
объединенных сил миролюбивых государств и народов импе-
риализм непременно потерпит окончательное поражение.
— о —
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
Введение ..................................................... 3
I. Атом и атомное ядро................................. 13
1. Что та*кое атом...................................... —
2. Размеры и масса атома.............................. 15
3. Великий закон природы............................... 17
4. Строение атома .............................. 20
II. Радиоактивность....................................... 25
1. Что такое радиоактивность............................ —
2. Свойства радиоактивных излучений.................... 26
3. Природа радиоактивности............................. 32
4. Основной закон радиоактивного распада .............. 34
5. Измерение радиоактивных излучений................... 39
III. Строение атомного ядра.................................. 49
1. Состав атомного ядра................................. —
2. Атомы-изотопы....................................... 53
3. „Капельная" модель ядра............................. 54
IV. Ядерная энергия.......................................... 57
1. Закон сохранения материи и ее движения............... —
2. Что такое ядерная энергия.......................... 59
3. Возможные пути получения ядерной энергии............ 61
V. Ядерные реакции........................................ 65
1. На пути овладения ядерными реакциями................. —
2. Деление тяжелых ядер................................ 74
3. Цепная реакция деления тяжелых ядер................. 81
4. Термоядерная реакция................................ 87
А. Общие сведения о термоядерной реакции............. —
Б. Искусственные термоядерные реакции . ............ 93
В. Перспективы осуществления управляемых термоядер-
ных реакций................,........................ 96
VI. Ядерное оружие.........................................ЮЗ
1. Общие принципы устройства ядерного оружия............ —
2. Действие ядерных взрывов............................111
3. Радиоактивное загрязнение атмосферы.................120
4. Обнаружение ядерных взрывов на больших расстояниях 122
VII. Ядерные реакторы........................................126
1. Общие сведения....................................... —
2. Принципиальная схема ядерного реактора..............130
3. Советские ядерные реакторы........................ 136
VIII. Применение ядерной энергии.......................... . 147
1. Атомные электрические станции........................ —
2. Атомные электрические батареи.......................155
3. Атомные двигатели...................................160
4. Применение радиоактивных изотопов...................165
Заключение...................................................170
zzr о —
Цена 2 руб. 75 коп.