Хрупкий мир. Юджин Вигнер. Истоки атомного века

Лишь очень немногие из нас могут спроектировать или сконструировать паровой двигатель или приготовить взрывчатое вещество, и цель этой главы не в том, чтобы служить учебником по атомной технике. Однако большинство из нас знакомо с основными явлениями, которые используются в паровом двигателе и обычных взрывчатых веществах. Атомные взрывчатые вещества уже оказывают более глубокое влияние на международные отношения, чем обычные взрывчатые вещества, и не исключено, что через несколько лет атомная энергия может составить конкуренцию нашим нынешним источникам энергии. Завтра основные факты об атомной энергетике станут общеизвестными. Даже сегодня более близкое знакомство с этими фактами может повысить нашу дальновидность и помочь нам сформировать свое мнение как по вопросам внутренних дел, так и по вопросам внешней политики.

Атомные реакции в сравнении с химическими процессами

Первый вопрос, который можно было бы задать, касается особых характеристик атомных сил. Сгорания 1 фунта угля достаточно, чтобы повысить температуру 700 фунтов воды на 18 градусов по Фаренгейту. Но "сгорание" 1 фунта урана привело бы к такому же повышению температуры в 2 миллиардах фунтов воды. Такое же количество энергии высвобождается при взрыве фунта урана, тогда как при взрыве 1 фунта нитроглицерина высвобождается энергии, преобразуемой в тепло, ровно столько, чтобы повысить температуру 150 фунтов воды. В чем разница между атомным процессом и нашими обычными химическими реакциями, которая делает первые намного мощнее?

Ответ заключается в том, что наши обычные химические реакции влияют на расположение атомов, "мельчайших строительных блоков материи", но не на их идентичность; атомные реакции изменяют идентичность атомов. Сжигание угля приводит к нарушению расположения атомов углерода в угле и атомов кислорода в воздухе, из чего образуется новая ассоциация атомов углерода и кислорода. Химик обозначает атомы углерода через C, атомы кислорода - через O. Он бы символически описал сжигание угля*:

Поскольку химическое изменение, подобное описанному выше, изменяет только расположение атомов, количество атомов определенного вида остается одинаковым до и после реакции. До реакции было двенадцать атомов С и двадцать четыре атома О; после реакции осталось двенадцать атомов С и двадцать четыре атома О. Все, что происходит, - это то, что атомы C вырываются из своей решетки, атомы O отделяются от своих партнеров, и между атомами C и O образуются новые соединения.

Разница между таким топливом, как уголь, и взрывчатым веществом, таким как нитроглицерин, заключается в том, что нитроглицерин содержит внутри себя все необходимое для реакции, в то время как топливу для горения требуется другое вещество, а именно воздух.

Атомные реакции - это совсем другое дело. Они изменяют сами атомы. Таким образом, реакции, происходящие во взрывающейся атомной бомбе, выражаются таким образом:

U-235 -> I + Y

Это означает, что уран превращается в йод и иттрий, довольно редкий элемент. (Он также может распадаться на множество других пар элементов.) Это превращение одних атомных частиц в другие противоречит принципам обычной химии. Это эффект, которого средневековые алхимики тщетно добивались в течение нескольких столетий и который был реализован только после того, как их надежды были оставлены и тщетность их усилий возведена в ранг общего принципа. Этот принцип, ныне утративший силу, называется принципом неизменности элементов. Это справедливо в химических, но не в атомных процессах.

Ничто из этого, конечно, не объясняет, почему изменения энергии в атомных реакциях намного больше, чем изменения энергии в обычных химических реакциях. Совсем наоборот, даже передовые ученые ломают голову над точным источником атомной энергии.

Знаменитая формула Эйнштейна говорит нам, что для того, чтобы получить энергию, выделяющуюся при реакции атомной бомбы, мы должны вычесть из массы U-235 массы I и Y, а затем умножить остаток на квадрат скорости света. Это наиболее полезное правило, которое вытекает из очень фундаментального соотношения. Однако это не объясняет нам, почему масса U-235 больше (на 0,1%, что очень много с учетом различий в массах), чем совокупные массы I и Y. С общей точки зрения представляется разумным, что изменение, приводящее к такому фундаментальному изменению свойств, как превращение одного элемента в другой (или двух других), должно быть связано с более значительными энергетическими изменениями, чем простая перегруппировка элементов, - и мы должны удовлетвориться этим объяснением.

Однако уравнение Эйнштейна подсказывает нам, как рассчитать энергию, выделяющуюся в любом процессе, если известны массы атомов, участвующих в реакции. Это говорит нам, например, о том, что энергия, выделяющаяся при превращении водорода в гелий, примерно в семь раз больше (на единицу веса вступающего в реакцию материала), чем энергия, выделяющаяся при реакции атомной бомбы (так называемая "реакция деления"). Это также говорит нам о том, что самая мощная реакция из всех - это та, в которой нет конечных продуктов. Это так называемая "реакция уничтожения":

U ->

Подробнее об этих реакциях будет сказано позже. Но здесь можно отметить, что их использование в обозримом будущем - все еще мечта учёных.

Другие атомные реакции происходят спонтанно в результате явления, известного как радиоактивность. Это явление наблюдается во многих тяжелых элементах, встречающихся в природе, таких как радий и торий, а также в некоторых искусственно созданных формах элементов, обычно стабильных. Например, йод и иттрий, которые являются продуктами деления урана, представляют собой радиоактивные формы обычного стабильного йода и иттрия. Радиоактивные атомы выбрасывают часть своего вещества и таким образом превращаются в другие элементы. Иногда выбрасываемые частицы сопровождаются излучением, известным как гамма-излучение, лучи которого похожи на рентгеновские лучи, но с большей энергией и проникающие глубже.

Испускание частиц и лучей происходит со скоростью, определяемой вероятностью возникновения определенных конфигураций внутри ядра атома. Эта скорость также не может быть изменена такими внешними воздействиями, как тепло или давление. Обычно это описывается величиной, известной как период полураспада, который представляет собой время, необходимое для распада половины любого данного количества материала. В конце одного периода полураспада остается только половина исходного вещества; в конце двух периодов полураспада остается только четверть его, и так далее.

Изотопы и разделение изотопов

Существует еще одно различие между обычными химическими реакциями и атомными реакциями, которое заслуживает рассмотрения. Это различие связано с феноменом изотопов. Изотопы - это формы одного и того же элемента: они ведут себя настолько схоже в обычных химических реакциях, что долгое время оставался открытым вопрос о том, можно ли разделить смесь двух изотопов на составляющие.

Поскольку изотопы являются формами одного и того же элемента, они имеют один и тот же химический символ. Если кто-то хочет различить их, к символу элемента добавляется число, обозначающее приблизительную массу изотопа. U-235 - это изотоп элемента уран; U-238 - другой, более тяжелый изотоп того же элемента. Поскольку изотопы ведут себя очень похоже в обычных химических реакциях, нет необходимости указывать их в химических процессах. Сгорание одного изотопа углерода настолько похоже на сгорание другого изотопа, что можно говорить просто о сгорании углерода.

С атомными реакциями дело обстоит не так. Изотопы так же сильно отличаются по своему поведению в атомных процессах, как и совершенно разные элементы в обычных химических реакциях. Так, например, вызвать реакцию атомной бомбы в U-238 настолько сложнее, чем в U-235, что U-238 не могут использовать в атомных бомбах.

Всё это показывает важность и трудность процесса разделения изотопов. Если требуется вещество с высокой реакционной способностью, обычно необходимо выбрать определенный изотоп элемента. U-235 является таким веществом. И все же освободить этот изотоп от других изотопов того же элемента - очень сложная задача, потому что все они ведут себя в обычных условиях очень похожим образом. Трудность та же, с которой можно было бы столкнуться, если бы уголь встречался в природе только в смеси с каким-либо другим веществом, таким как глина, и если бы глина выглядела и вела себя во всех физических процессах настолько похоже на уголь, что было бы невозможно смыть ее с угля, не смывая при этом уголь, или разделить их с помощью любого другого процесса.

Почему атомные реакции не открыли раньше?

Здесь можно справедливо спросить, почему атомные реакции оставались незамеченными в течение такого долгого времени, если они выделяют такое огромное количество энергии? Почему мы не видим их перед глазами каждый день?

Если мы хотим сжечь уголь, мы должны сначала разогреть его до температуры в несколько сотен градусов. Ниже этой "температуры воспламенения" горение, если оно вообще происходит, протекает лишь незаметно. Естественно, что атомные процессы, которые выделяют гораздо больше тепла и энергии, требуют для своего начала гораздо большего предварительного нагрева, чем это делает уголь. Такие высокие температуры, которые необходимы для этого процесса, вряд ли могут быть достигнуты на нашей планете с нашими очень ограниченными ресурсами. Однако в центре звезд и нашего Солнца преобладают температуры, достаточно высокие для атомных реакций, а источником солнечного излучения является атомная энергия. Поскольку вся наша земная энергия в конечном счете происходит от солнечного излучения, можно сказать, что атомная энергия действительно составляет основу нашей жизни и наших источников энергии.

Существует вещество, которое требует гораздо меньшего предварительного нагрева для воспламенения, чем уголь, - фосфор. Спичка вспыхнет при очень слабом трении. Огонь так долго оставался неоткрытым, потому что в природе нет свободного фосфора. Даже если бы он и был, то случайно сгорел бы задолго до того, как человек смог бы дотронуться до него.

Существует атом, называемый "нейтрон" ("нулевой" элемент), который может вступать в реакцию практически с любым другим элементом при обычных температурах. Однако при обычных условиях в природе не существует нейтронов. Нейтрон был открыт всего несколько лет назад (1932) британским физиком Чедвиком. Причина дефицита нейтронов та же, что и причина дефицита фосфора: любые нейтроны, которые могли бы образоваться случайно, так быстро вступили бы в реакцию с другими элементами, что их всегда было бы очень мало вокруг - в самом деле очень мало.

Таким образом, именно по этой причине до недавнего времени мы так мало знали об атомных реакциях, что лишь несколько лет назад нам удалось запустить их в больших масштабах: реакции, в которых не участвуют нейтроны, требуют для своего запуска чрезвычайно высоких температур; нейтроны, с другой стороны, настолько активны в реакциях, что присоединяются к другим атомам и таким образом прекращают свое существование.

Цепная реакция

До 1939 года большинство физиков, основываясь на только что приведенных фактах, полагали, что использование атомной энергии (строго говоря, это ядерная энергия, поскольку изменения, происходящие в атомных процессах, влияют на ядро атома) в заметных масштабах было делом далекого будущего. Нейтроны, которые им удалось получить с большим трудом, были поглощены почти сразу же после их высвобождения, и атомные реакции с другими элементами можно было вызвать искусственно, только используя несколько очень быстрых "возбуждённых" частиц в холодной системе. Эти быстрые частицы были либо продуктами "радиоактивных веществ", либо были искусственно созданы в сложных приборах, таких как циклотрон или генератор Ван де Граафа.

В 1939 году два немецких ученых, Ган и Штрассман, открыли атомную реакцию, которая, как и многие другие реакции, индуцировалась нейтронами при обычной температуре. Нейтрон, вызвавший реакцию, поглощался в процессе, как и во всех других процессах, которые он индуцирует. Решающим отличием здесь, однако, было то, что эта атомная реакция также приводила к образованию нейтронов. Очевидно, что если количество нейтронов, образующихся в процессе, больше, чем количество поглощенных в нем нейтронов, становится возможным не только поддерживать протекание реакции при обычных температурах, но и получить обильный источник нейтронов. То, что открыли Ган и Штрассман, было процессом деления. Он упоминался еще в начале этой главы, хотя его уравнение было дано не полностью. Это

U-235+нейтрон -> I+Y+N нейтронов.

N обозначает количество нейтронов, образующихся при одном делении. I и Y называются "фрагментами" деления, потому что это фрагменты, на которые распадается U-235. I и Y - не единственные два элемента, на которые U-235 может "расщепляться"; существует много других пар элементов, на которые он может распадаться.

Важным моментом в приведенной выше реакции является то, что N больше единицы. На самом деле, речь идет о двух. Этот факт можно использовать двумя способами, если у вас есть кусок U-235 или любого другого делящегося вещества, то есть вещества, которое распадается при поглощении нейтрона.

Бомба

Получив кусок U-235 или другого делящегося материала, вы можете добавить к нему нейтрон. Затем он вступит в реакцию с U-235, выделяя два нейтрона. Если оставить оба этих нейтрона для реакции с U-235, то во второй генерации они произведут четыре нейтрона. Если все они вступят в реакцию с U-235, то в третьей генерации их будет 8, в четвертой - 16, в десятой - около 1000, в двадцатой - 1 миллион, в тридцатой генерации - 1 миллиард и т.д. Процессы, вызванные нейтронами одной генерации, дадут нейтроны следующей генерации, причем каждая генерация примерно в два раза больше, чем предыдущая. Такая последовательность событий будет продолжаться либо до тех пор, пока весь U-235 не будет израсходован и заменен осколками деления и нейтронами, либо до тех пор, пока бомба не разлетится на части. Ибо только что описанная система - это бомба, атомная бомба.

Осколки деления в результате реакции в бомбе имеют скорости, соответствующие температуре примерно в триллион градусов, и энергии, выделяющейся при делении фунта U-235, достаточно, чтобы поднять температуру воздушного шара диаметром более полумили до температуры кипения воды. На самом деле разрушения, вызванные таким взрывом, могут распространяться на большую площадь, чем эта.

Жизненный цикл генерации нейтронов в бомбе не намного длиннее миллиардной доли секунды, и весь описанный выше процесс может завершиться за миллионную долю секунды. Главная трудность при создании бомбы состоит в том, чтобы сохранить целостность куска U-235, несмотря на огромное выделение энергии, и проследить за тем, чтобы все или почти все нейтроны были поглощены U-235.

Нейтронный генератор

Второй способ использовать массу делящегося материала состоит в том, чтобы позволить числу нейтронов увеличиться только до довольно высокого, но заранее определенного уровня и прекратить их увеличение, как только этот уровень будет достигнут. Увеличение может быть остановлено, например, введением в систему некоторого постороннего материала, который поглощает около половины всех производимых нейтронов. Если это будет сделано, то только половина всех нейтронов генерации вызовет деление U-235. Поскольку число нейтронов в любой генерации будет в два раза больше числа делений, количество нейтронов в каждой генерации будет одинаковым. Другими словами, реакция будет протекать с постоянной скоростью, которая может быть высокой или низкой, в зависимости от уровня, на котором прекращается дальнейшее увеличение количества нейтронов. Во всех практических случаях уровень настолько низок, что требуется много недель, прежде чем будет израсходована значительная часть U-235. Это контрастирует с десятимиллионной долей секунды в бомбе.

Запуск цепной реакции таким образом будет иметь два эффекта: (1) Процессы деления, которые протекают с постоянной скоростью, будут производить определенное количество тепла, которое может быть направлено на полезные цели; (2) одновременно и нераздельно будут доступны нейтроны для поглощения любым способом, который вы решите использовать, чтобы остановить их чрезмерный поток.

Второй момент так же важен, как и первый. Большинство ядер становятся радиоактивными при поглощении нейтрона, и поэтому на каждый израсходованный атом U-235 можно получить примерно один радиоактивный атом. Таким образом, может быть получено большое разнообразие радиоактивных атомов, поскольку цепной реакцией можно управлять, поглощая избыток нейтронов практически любым из девяноста двух известных элементов. Последний пункт иллюстрирует огромную ценность нейтронов: с каждым нейтроном можно вызвать атомный процесс и получить, например, радиоактивный атом практически из любого атома и нейтрона. Еще одна причина не тратить U-235 впустую на бомбу! Все нейтроны, которые способен производить U-235, бесполезно теряются после взрыва.

Производство плутония

В двух предыдущих разделах содержится очень большое "если". Чтобы изготовить бомбу или построить генератор нейтронов, сначала необходимо иметь довольно большое количество делящегося материала. Конечно, можно получить чистый U-235 путем разделения двух изотопов урана. Однако, если бы это был единственный метод получения делящегося материала для генератора нейтронов, нейтроны действительно оставались бы очень дорогими. Весь процесс можно сделать намного дешевле, если использовать природный уран, то есть смесь U-235 и U-238.

Это действительно возможно, если U-238 используется в качестве вещества, предотвращающего увеличение числа нейтронов. Но это исключает какой-либо выбор в отношении элемента, которому должно быть разрешено поглощать нейтроны: это U-238. То, что мы имеем, - это не генератор нейтронов, а нейтронный генератор и потребитель нейтронов вместе взятые. U-235 является источником нейтронов, U-238 - их пунктом назначения. Казалось бы, выигрыш невелик, за исключением энергии, выделяемой в результате реакции.

Однако - и это стало сюрпризом - продуктом реакции U-238 и нейтрона является новое вещество U-239, которое в результате самопроизвольного радиоактивного "распада" превращается в новый элемент, называемый плутонием. И плутоний тоже способен к делению. В результате его можно использовать либо в бомбе, либо в другом генераторе нейтронов. Выбор поглотителя нейтронов, навязанный нам тем фактом, что U-235 всегда смешивается с U-238, не такой уж плохой. На самом деле вряд ли могло быть лучше.

Только что описанный плутониевый завод - действительно необычный завод. Он производит плутоний, но пока он его производит, он также генерирует энергию. Это энергия процесса: U-235+нейтрон = I+Y+N нейтронов и подобных процессов деления, которые дают нейтроны.

Плутоний, произведенный на плутониевых заводах в штате Вашингтон, является, кстати, первым новым элементом, когда-либо произведенным человеком в значительных количествах. И плутоний может быть получен на заводе намного дешевле, чем чистый U-235 может быть получен путем разделения изотопов, не говоря уже об энергии, выделяемой в процессе деления. За не слишком много лет можно было бы получить почти неограниченное количество плутония, достаточное для очень большого количества бомб - или для мирного, общественно полезного применения. Здесь у нас есть выбор.

Поскольку природный уран может быть получен в результате цепной реакции, можно было бы подумать, что его можно заставить взорваться. Это невозможно: размножение нейтронов в природном уране происходит недостаточно быстро. U-238 автоматически управляет цепной реакцией, то есть поглощает столько нейтронов, что популяция последующих генераций практически не увеличивается. На самом деле требуется немало ухищрений, чтобы обеспечить хотя бы небольшое увеличение численности последующих генераций или даже избежать сокращения. Наиболее важный из этих приемов заключается в том, чтобы умерить нейтроны, уменьшить их скорости с высокого значения, которое они имеют, когда выбрасываются во время деления, до доли этого значения (с 10 000 миль в секунду до примерно 1 мили в секунду). Но, несмотря на все ухищрения, умножение нейтронов в системе, использующей природный уран, не может быть произведено достаточно быстро для создания бомбы.

Другие атомные реакции

Наш экскурс в область атомной физики привел нас к ряду путей, с которых мы могли увидеть дороги, ведущие к реализации других атомных реакций. Две из них были особо упомянуты: Реакция между изотопами водорода (H2) и реакция уничтожения. Обе они практически способны выделять больше энергии на единицу веса, чем реакция деления - реакция уничтожения примерно в тысячу раз больше. А как насчет них?

Вряд ли. Хотя, как мы видели, реакция деления готова к использованию в больших масштабах, к лучшему это или к худшему, в настоящее время нет оснований полагать, что какая-либо другая атомная реакция может быть использована в ближайшем будущем. Можно задуматься о попытке использовать реакцию деления для получения высоких температур и разжигания с ее помощью других реакций, точно так же, как огонь фосфора используется для разжигания огня в других веществах. Высказывалось даже предположение, что атмосфера или моря могут быть "подожжены" ядерными бомбами. В настоящее время нет никаких оснований опасаться этого; воспламенение атмосферы или морей - это чистая спекуляция, и я верю в то, что это плохие спекуляции. Что касается реакции уничтожения, то она вряд ли наблюдалась, если вообще наблюдалась, в лаборатории. Конечно, мы должны остерегаться чрезмерного консерватизма, о чем могут свидетельствовать люди, которые насмехались над идеей цепной реакции в уране. Однако, возможно, было бы здраво полагать, что другие, возможно, биологические, открытия равной силы, как плохие, так и хорошие, могут быть сделаны до того, как нам придется столкнуться с атомными реакциями принципиально иной природы, чем те, которые мы можем использовать сейчас.

Должны ли мы сожалеть о том, что боковые дороги, похоже, в настоящее время никуда не ведут? Я так не думаю. Количество энергии, которое способны обеспечить доступные источники, настолько велико, что мы не нуждаемся в других или более обильных источниках. Существующие источники способны удовлетворить все разумные - и некоторые необоснованные - потребности в энергии.