Ядерная энергия, ее мирное и военное применение

Выше мы уже говорили о том, что атомные ядра (различные изотопы) могут быть стабильными и радиоактивными. Радиоактивными называются ядра, которые самопроизвольно превращаются в ядра других элементов. Процесс превращения сопровождается испусканием радиоактивных лучей. Причина вызывающая превращение ядра кроется в самом ядре и ни какие внешние факторы (давление, температура и химическое состояние атома) на этот процесс не влияют. Достаточно быстро после открытия радиоактивности Резерфордом был установлен состав радиоактивного излучения. Он установил, что излучение состоит из трех компонент: — лучи, -лучи и гамма излучение. — лучи представляют собой поток ядер гелия. При выделении — лучей заряд ядра уменьшается на одну единицу и образуется новое ядро, расположенное в таблице Менделеева слева от распавшегося. -лучи представляют собой поток быстрых электронов, скорость которых приближается к скорости света. Так как электрон заряжен отрицательно, то после выделения электрона заряд ядра увеличивается на единицу и образуется новое ядро, расположенное в таблице Менделеева справа от распавшегося. Гамма-излучение представляет собой электромагнитные волны с очень малой длиной волны, значительно меньше, чем у рентгеновских лучей. В соответствии с корпускулярно-волновым дуализмом (и приводимым выше мысленным опытом) это излучение должно в основном проявлять свойства частиц. Поэтому часто его называют потоком гамма частиц.

Чрезвычайно важно отметить тот факт, что ни — частицы (ядра гелия), ни электроны не входят в состав ядра. Они рождаются при его распаде. Это подобно тому, как звук колокола не входит в его устройство, а рождается колоколом при звучании. Так устроена Природа. Ядра всех элементов состоят только из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (электрически нейтральных частиц). Количество протонов определяет заряд ядра и, следовательно, его положение в таблице Менделеева. Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами. Все изотопы данного элемента находятся в одной клеточке таблицы Менделеева. В свою очередь протоны и нейтроны имеют сложное внутреннее строение и процессы в самом ядре чрезвычайно сложны и интенсивны, но анализ их выходит за рамки курса КСЕ. Тем, кому это интересно можно посоветовать обратиться к курсу физики.

Схема деления ядра урана При рассмотрении опытов Резерфорда мы обратили внимание на чрезвычайно малый пространственный размер ядер. Однако в них содержится необычайно большая энергия, которая уже доступна Человечеству и может использоваться как во вред, так на благо цивилизации.

В 30-х годах XX века было открыты изотопы некоторых тяжелых элементов, которые способны распадаться (делиться) на более крупные, чем ядра гелия, осколки. Наиболее интересная и важная среди таких реакций — это деление урана-235 (235U). Примечательно, что 235U делится крайне редко (относительно устойчив), если его ядро «не трогать». Однако, при столкновении с медленными нейтронами происходит деление этого ядра на два больших осколка (ядра более легких элементов) и еще образуется два — три нейтрона, которые, в свою очередь способны взаимодействовать с соседними ядрами 235U. Последние распадаются точно таким же образом, как и первое ядро. Иначе говоря, в данном случае возможно размножение нейтронов с коэффициентом размножения больше единицы. Каждое деление происходит за время порядка одной микросекунды. В такую цепную реакцию вовлекаются все новые и новые ядра, процесс быстро приобретает лавинообразный характер. В результате, благодаря огромному выделению энергии, может произойти ядерный взрыв.

Устройство ядерной бомбы Очевидно, что должно существовать некоторое значение массы делящегося изотопа, ниже которого он безопасен, а выше — начинается протекание цепной ядерной реакции, вплоть до взрыва. Такое значение получило название критической массы. Для 235U она составляет около 50 кг.

Принцип действия ядерной бомбы заключается том, что используются несколько фрагментов изготовленных на основе способных к делению изотопов, масса каждого из которых меньше критической. Пока они находятся на достаточном расстоянии друг от друга, коэффициент размножения нейтронов меньше единицы. Срабатывание взрывателя, основанного на обычном химическом принципе, приводит к сближению этих фрагментов, в результате чего начинается цепная ядерная реакция.

Несмотря на то, что устройство ядерной бомбы в своем принципе относительно несложно, ее создание представляет собой весьма трудную техническую проблему. Причиной этого является труднодоступность способных к цепной ядерной реакции изотопов. Единственный делящийся изотоп (это изотоп урана — 235U) природного происхождения встречается только в виде незначительной примеси к неделящемуся изотопу урана (238U). Его выделение (обогащение урана) представляет собой сложнейшую задачу, решенную только в нескольких странах. Это США, Россия, Великобритания, Франция, Китай, к которым в последние годы присоединились также Индия и Пакистан. Под вопросом находится возможность обладания ядерным оружием такими странами, как Израиль и Северная Корея. Распространение ядерного оружия в настоящее время ограничивается рядом международных соглашений.

Ядерная бомба может быть также изготовлена их другого делящегося изотопа — плутония-239 (239Pu). В природе он не встречается, однако может быть выделен из отработанного топлива ядерных электростанций, которое, в свою очередь, изготавливается из 235U. В связи с этим, мирное применение ядерной энергии представляет собой определенную военно-политическую проблему, поскольку всегда существует определенная возможность изготовления «оружейного» плутония из «мирных» ядерных отходов.

Создание ядерного оружия стало поворотным пунктом, как в истории естествознания, так и в мировой истории в целом. Впервые человек получил в свое распоряжение средство, применение которого может вызвать разрушения планетарного масштаба, способные привести не только к гибели цивилизации, но и к уничтожению значительной части биологических видов, вызвать необратимые климатические изменения.

Мощность взрыва самого первого ядерного боезаряда, испытанного в 16 июля 1945 г в пустыне Аламгордо (США) составила 13 килотонн в тротиловом эквиваленте. Насколько это много? Тротиловый эквивалент ядерного заряда — это условная масса обычного взрывчатого вещества (тротила), взрыв которого соответствовал бы по мощности взрыву данного ядерного заряда. Напомним, что 100−200 кг тротила достаточно для уничтожения многоэтажного дома. В случае же ядерных боезарядов счет идет не на килограммы, и даже не на тонны, а на тысячи (килотонны) и миллионы тонн (мегатонны) эквивалентной массы тротила.

Ядерное оружие применялось в истории только дважды. 6 августа 1945 г. (т.е. во время второй мировой войны) авиацией США были сброшены две ядерные бомбы на японские города Хиросима и Нагасаки. Их мощность составляла по 15 килотонн в тротиловом эквиваленте. В результате этой бомбардировки погибло более 140 тыс. человек только в первый год и более 200 тыс. остались инвалидами, из которых большая часть — жертвы отдаленных последствий радиоактивного облучения.

По мнению многих военных историков, ядерная бомбардировка Хиросимы и Нагасаки, хотя и приблизила окончание второй мировой войны, не была вызвана военной необходимостью, а скорее послужила для США средством устрашения Советского Союза. Ставилась цель получения максимального числа жертв среди мирного населения. На момент ядерной атаки в Хиросиме и Нагасаки отсутствовали какие либо воинские подразделения японской армии, причем сами города-объекты нападения были выбраны как ранее не подвергавшиеся налетам авиации, население которых не имело опыта гражданской обороны.

Ниже приведена фотография настоящего ядерного взрыва. Полезно обратить внимание на масштабность этого рукотворного явления. На переднем плане фотографии видна дорога и телеграфные столбы. Сам ядерный взрыв произведен достаточно далеко.

Фотография ядерного взрыва В Советском Союзе первая ядерная бомба была испытана 29 августа 1949 г., а несколькими годами позже — 12 августа 1953 г — испытана первая в мире термоядерная бомба. Принцип действия термоядерного взрывного устройства заключается в использовании т.н. реакции термоядерного синтеза. Эта реакция протекает между ядрами легких элементов периодической системы, в результате чего образуются ядра более тяжелых элементов. Например, при воздействии очень высоких температур (миллионы градусов) два ядра изотопа водорода 2H (дейтерия) могут превратиться в ядро изотопа гелия (4He). В процессе реакции выделяется огромное количество тепловой энергии, достаточной и для поддержания самой реакции. В то же время, термоядерная реакция не может начаться самопроизвольно, поскольку для этого требуется начальный нагрев реакционной смеси («поджигание» реакции). С целью такого начального нагрева в термоядерной бомбе используется обычное ядерное взрывное устройство.

Принцип действия термоядерной бомбы Если обычная ядерная бомба ограничена по мощности, поскольку масса используемого в ней делящегося изотопа не может намного превышать критическую, то величина тротилового эквивалента термоядерного боезаряда теоретически ничем не ограничена. Наиболее мощные бомбы, находящиеся на вооружении стран — членов «ядерного клуба» являются термоядерными.

Самая мощная термоядерная бомба из когда-либо испытанных в истории человечества была создана в Советском Союзе в 1961 г. В ходе испытаний, проведенных на полигоне о. Новая Земля, ее мощность оказалась равной 58 миллионам тонн в тротиловом эквиваленте (58 мегатонн).

Взрывная мощь крупнейших ядерных бомб, появившихся в начале 1990;х годов, например советской стратегической ракеты SS-18 (класса «земля-земля»), достигает 20 мегатонн, т. е. в 1540 раз больше по сравнению с бомбой, сброшенной на Хиросиму. В случае ее применения будут разрушены все постройки в радиусе 20−30 км, территория протяженностью еще несколько десятков километров попадет в зону частичных разрушений, а интенсивное радиоактивное заражение местности будет простираться на сотни километров.

Совершенно очевидно, что в ядерной войне, если она произойдет, не может быть победителей. В 90-х годах советские и американские эксперты, независимо друг от друга, произвели оценочные расчеты возможных последствий ядерной войны и получили приблизительно одинаковые выводы. Даже если будет подорвано только около 10% ядерных боеприпасов, в результате взрывов в воздух попадет такое количество пыли, что снижение интенсивности солнечной радиации, попадающей на поверхность земли, приведет к понижению среднегодовой температуры года на десятки градусов. «Ядерная зима» — это низкие отрицательные температуры летом даже в умеренных широтах и на экваторе, гибель большей части наземных экосистем, полное прекращение производства сельскохозяйственной продукции во всем мире.

Однако, по мнению многих военных экспертов и политиков, существование ядерного оружия является не только глобальной угрозой, но и представляет собой стабилизирующий фактор международной политики. Вероятно, в случае его отсутствия в арсеналах ведущих стран мира в XX веке не удалось бы избежать развязывания крупномасштабной третьей мировой войны между Востоком и Западом с применением обычных вооружений. Последствия такой войны, хотя возможно и не привели бы к полной гибели цивилизации, могли бы оказаться гораздо более катастрофичны, чем последствия второй мировой войны.

Другим направлением использования той колоссальной энергии, которая заключена в ядре, являются атомные электростанции, в которых делящееся ядерное горючее заменяет уголь. Выделяющаяся энергия нагревает теплоноситель (обычно воду), а дальше процесс идет как в обычной ТЭЦ: пар вращает турбину, соединенную с генератором, вырабатывающим электроэнергию. Таким образом, основным отличием атомной электростанции от обычной, является конструкция «котла». Принципиальная схема атомной электростанции приведена на рисунке.

Принцип действия атомной электростанции Основным отличием атомного котла от атомной бомбы состоит в использовании специальных регулирующих стержней, которые поглощают нейтроны, выделяющиеся при делении ядерного горючего. Обычно в качестве таких стержней используется графит. Если стержни полностью погружены в реактор, то цепная реакция прекращается. Котел заглушен. Если стержни удалить из котла, то цепная реакция становится неуправляемой и котел превращается в атомную бомбу. В рабочем режиме автоматика следит за положением стержней, так чтобы ядерная реакция не прекращалась и не выходила из-под контроля. При этом область реакции нагревается до высокой температуры (несколько сотен градусов), что достаточно для нагревания воды и превращения ее в пар.

Ядерные электростанции не выбрасывают углекислый газ в атмосферу. Кроме того, если запасов органического топлива хватит еще на 150−200 лет (средняя оценка), то запасов урановой руды — как минимум на 1500 — 2000 лет.

Так, очевидно, что высокий технологический уровень развития ведущих промышленно развитых государств несет в себе не только блага цивилизации, но и повышенную опасность. Существует тревожная тенденция научно-технического развития, заключающаяся в том, что в современных условиях ошибка даже одного или нескольких человек, занятых на высокотехнологичных предприятиях, способна привести к массовой гибели людей и к масштабным отрицательным последствиям экологического характера. Даже в мирное время стали возможны такие катастрофы, как Чернобыле (1986 г), г. Севезо (Италия, 1976 г. — до 1500 погибших при аварии на химзаводе), г. Бхопал (Индия; 1985 г. — 2000 погибших только в первые три дня — также авария на химзаводе).

4-й энергоблок Чернобыльской АЭС. Фотография сделана с вертолета 10 мая 1986 г.

Показателен случай 1984 года во Франции, когда ошибка в работе программного обеспечения компьютера, контролирующего режим плотины водохранилища в долине реки Тари, привела к неожиданному открытию шлюзов. Произошел сброс 2,5 млн. кубометров воды, причинивший немалый урон жителям долины.

Безусловно, применение ядерной энергии в мирных целях является одним из компонентов техногенного риска. Тем более ведение полномасштабной войны обычными вооружениями, например, в центре Европы, где находится большое количество атомных электростанций, крупных химических заводов, вне всякого сомнения, способно привести к ужасающим последствиям.

Однако, возникает вопрос, а надо ли отказываться от атомных электростанций для снижения вероятности повторения событий типа Чернобыльской катастрофы? Это вопрос важен в контексте другой, еще более обширной проблемы — а можно ли отказаться от промышленной реализации достижений естественных наук?

Выше мы привели число жертв только в двух крупных авариях на предприятиях химической промышленности. В сумме это около 3500 человек, погибших непосредственно после аварии.

Число жертв Чернобыльской катастрофы, погибших от лучевой болезни или от ее прямых последствий, составляет 32 человека. Единственным отмеченным на сегодня реальным массовым радиологическим последствием Чернобыля является увеличение заболеваемости раком щитовидной железы среди населения ряда районов России, Белоруссии и Украины. По данным Российского онкологического научного центра им. Н. Н. Блохина в этих регионах зарегистрировано более 1800 случаев рака щитовидной железы. Однако и в этом случае точное число радиационно обусловленных случаев рака неизвестно, так как значительная доля роста их общего количества обязана более эффективному выявлению таких заболеваний, благодаря предпринятым небывалым по объему мерам диагностики с помощью новейших приборов. Кроме того, из этого числа надо вычесть поправку на естественную смертность от рака щитовидной железы. В итоге, по оценкам специалистов, реальное число жертв Чернобыльских событий составляет около 1000 человек. Эта цифра могла бы быть существенно меньше, если население вовремя предупредили бы о необходимости применять препараты йода, обладающие радиопротекторным действием.

Много это или мало — 1000 человек? Безусловно, это очень много. Смерть даже одного человека — трагедия.

Существуют и другие оценки числа жертв Чернобыля. В прессе иногда появляются цифры порядка 30 и более тыс. человек. Как правило, такие значения получены при подсчете общего числа погибших среди ликвидаторов, без учета причин смерти. Сюда нередко попадают люди, погибшие от несвязанных с радиацией заболеваний, а то и в результате несчастных случаев.

Специалисты отмечают большую тревогу в обществе, вызываемую многочисленными сообщениями о росте различных расстройств здоровья среди ликвидаторов и населения на загрязненных территориях, что обычно рассматривается как последствия облучения в малых дозах. На самом деле, разнообразные отклонения здоровья, которым приписывают радиационную природу, связаны с вредным влиянием множества нерадиационных факторов аварии. К их числу относятся: необоснованное переселение в необжитые места, утрата «малой родины», социальное неблагополучие, неполноценное питание, бытовая и профессиональная неустроенность и постоянно нагнетаемое СМИ состояние длительного стресса, вызванного неоправданным ожиданием массовой онкологической заболеваемости и страшных генетических последствий.

И все же, если взять даже завышенную оценку числа жертв Чернобыльской катастрофы — 30 тыс. человек, то эта оценка сильно уступает другим последствиям деятельности человека, которых можно было бы избежать.

По данным Всемирной организации здравоохранения, ежегодно только из-за курения умирает 4,9 миллиона человек, причем по некоторым прогнозам, в ближайшие 20 лет число жертв курения может удвоиться.

Продолжает оставаться малоизвестным тот факт, что обычные тепловые электростанции выбрасывают больше радиоактивных загрязнений, чем ядерные, если последние, разумеется, работают в безаварийном режиме. Это происходит за счет того, что в твердом топливе всегда содержится некоторое количество естественных радиоактивных примесей, которые обычно попадают в атмосферу вместе с продуктами сгорания, несмотря на применение пылеулавливающих технологий (если таковые вообще применяются).

В составе продуктов сгорания обычных тепловых электростанций также всегда содержатся канцерогенные вещества (бензапирен, полиароматические углеводороды); их воздействие на человека увеличивает вероятность заболевания раком. Соответствующий рост заболеваемости и смертности в окрестностях электростанций вроде бы невелик — десятые и сотые доли процента, однако в масштабах Европы, например, этот рост приводит к десяткам тысяч дополнительных смертей.

Работа электростанций и других производств, связанных с сжиганием органического топлива, является основным источником поступления углекислого газа в атмосферу, содержание которого в последние 70 — 100 лет мирового промышленного развития выросло приблизительно на 30%. Следствием роста концентрации CO2 является т.н. парниковый эффект, в результате которого теплоотдача земной поверхности за счет инфракрасного излучения в космическое пространство уменьшается и происходит ее разогрев.

Большинство специалистов уверено, что именно парниковый эффект послужил причиной наблюдающегося в последние годы глобального потепления, оцениваемого по среднегодовым температурам величиной около 0,5С. По-видимому, в ближайшие 70−100 лет неизбежно дальнейшее повышение среднегодовой температуры еще на 2С, что приведет к дестабилизации климата, таянию полярных льдов, повышению уровня мирового океана. В результате могут оказаться затопленными значительные территории с населением в сотни миллионов человек. Климат станет более континентальным; а это значит, что, несмотря на потепление, во многих регионах зимы будут более морозные. Сократятся территории, занятые под сельскохозяйственное производство.

Таким образом, ядерная энергетика является безальтернативной перспективой будущего. Но, только при условии, что не будут разработаны принципиально новые источники энергии. Современные естественнонаучные данные в этой области; достижения физики, в частности, позволяют здесь делать осторожные оптимистические прогнозы.

Еще в 70-е гг. ХХ века ученые СССР и США приступили к разработке т.н. термоядерного реактора. Принцип его работы заключается в использовании термоядерной реакции (см. выше). Однако, если протекание термоядерной реакции в бомбе носит взрывной характер и инициализируется высокой температурой ядерного взрыва, то при работе реактора ядерный взрыв не может быть использован для «поджигания» термоядерного горючего — «мирная» термоядерная реакция должна быть управляемой. Основная трудность при создании промышленного термоядерного реактора, способного вырабатывать тепло и электроэнергию, состоит именно в разработке эффективных способов нагрева реакционной смеси (плазмы), состоящей из изотопов водорода, гелия и лития.

В настоящее время в термоядерных экспериментальных установках (Франция, Япония) удается достигать температур порядка нескольких десятков миллионов градусов на время до 30 мин. В то же время для создания промышленного реактора необходимо создать температуру более 200 млн. С.

Развивается широкое международное сотрудничество, направленное на создание первого образца экспериментального термоядерного реактора, который мог бы реально выделять энергии больше, чем затрачивается на разогрев плазмы. В нем принимают участие США, Россия, Китай, Евросоюз и Канада. В проект уже вложено более 30 млрд. долларов.

Преимущество термоядерной электростанции заключается в том, что в процессе ее работы не образуется практически никаких радиоактивных отходов. Горючее — дейтерий, тритий или литий может быть получено в неограниченных количествах. Достаточно сказать, что для работы крупной термоядерной электростанции, обеспечивающей электроэнергией город с миллионным населением, потребовалось бы всего около 1 кг трития в год.

Если обычная современная ядерная станция теоретически, хотя и с очень малой вероятностью, грозит взрывом, то взрыв термоядерной станции не может произойти в принципе, поскольку для термоядерного горючего отсутствует понятие критической массы, а количество топлива, загруженного даже в крупный реактор, составляет несколько миллиграмм.

Предполагается, что первая промышленная термоядерная электростанция может быть построена не ранее 2050 г.

В то же время, мировое научное сообщество взбудоражено историей, связанной с т.н. холодным термоядерным синтезом. В 1989 г американский химик С. Понс и британец М. Флейшман заявили, что им удалось получить термоядерную реакцию при… комнатной температуре. Используемое для этого устройство имеет чрезвычайно простую конструкцию. Два пористых электрода, изготовленных из палладия, помещаются в воду, а затем через них пропускают электрический ток. По данным авторов, количество тепла, образующегося в процессе, превышает затраты энергии на электролиз.

Многочисленные проверки эффекта, проведенные в других, независимых лабораториях, показали неоднозначные результаты. Одни исследователи подтвердили факт дополнительного выделения тепла, другие — нет. В любом случае очевидно, что эффект нестабилен и неясно, какими факторами он определяется. Большинство из тех экспериментаторов, которые допускают реальное существование этого эффекта, считают, что здесь имеет место какое-то другое, неизвестное явление, не имеющее ничего общего с термоядерным синтезом. Многие физики считают результаты М. Флейшмана и С. Понса антинаучными, тогда как сами эти ученые, по их заявлению, работают над промышленно-демонстрационным образцом реактора.