История атомной энергетики началась совсем из других направлений исследований. Пытались понять строение материи, и первой работой Резерфорда стало понимание того, что атом состоит из какого-то ядра и окружающих его электродов. Открыли альфа-распад, бета-распад, гамма-распад, радиоактивность, когда ядро излучает какие-то частицы.

1

Удивительное по тем временам открытие вызвало массу фантастических представлений о будущем человечества, поскольку ядро, распадаясь, выделяло энергию, которая была в миллионы раз больше, чем та энергия, которая выделяется при сжигании угля, при любой химической реакции. Можно прочитать работы удивительных людей, которые в 1912 году предсказывали будущее человечества, которое будет пользоваться этой гигантской энергией. При этом физика ядра была не очень понятна, не было еще квантовой механики, и не было представления, что вообще атом устроен не по законам классической механики, электроны не могут крутиться вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца.

Рекомендуем по этой теме:
41527
Структура материи

Но сам факт выделения такой огромной энергии привлек большое внимание. Радиоактивность послужила неким толчком к практическому интересу с самого начала с точки зрения гигантских запасов энергии. Радиоактивное вещество на один грамм выделяет энергию при распаде порядка гигаджоуля. За секунду мощная тепловая станция выделяет такую энергию, сжигая тысячи тонн угля. Энергия, выделяющаяся при взрыве любой взрывчатки, в миллионы раз меньше.

2

Казалось, это открытие будет иметь сразу практическое применение. Но очень быстро великие ученые Резерфорд, Эйнштейн и другие однозначно объяснили, что энергия эта гигантская, но управлять мы ею не умеем, она выделяется во времени очень медленно — за 30–50 лет, и ничего с этим мы поделать не можем. Долго процесс изучения шел только в направления изучения строения ядра, в понимании, что происходит в ядре.

3

Такие исследования проходили до 1932 года, когда Чедвик открыл нейтрон, после чего стало известно, что в ядре кроме протонов может быть еще какая-то частица. Открытие нейтрона, по сути, послужило инструментом, для того чтобы изучать, что происходит с ядром, когда в него попадает нейтрон. Самая глубокая идея, которой увлеклись все ученые, — это облучение урановых растворов пучком нейтронов и поиски более тяжелых ядер, которые должны образовываться.

В 1934 году известный немецкий химик, открывшая рений Ида Ноддак, по-женски предположила, что, когда нейтрон попадает в ядро, оно делится, а не просто образуется более тяжелое ядро. Это было воспринято как глупость: химик ничего не понимает в физике ядра, только женщина и могла такое произнести. После того как она опубликовала в 1934 году эту статью в журнале прикладной химии, никто всерьез эту статью не воспринял. В 1939 году в попытках найти трансурановые элементы немецкие химики Отто Ган и Штрассман вдруг видят, что в продуктах того, что появляется после облучения уранового раствора нейтронами, появляются элементы, которые в два раза легче, чем уран. Это означало, что нейтрон попадает в ядро, которое, в свою очередь, делится, при этом выделяется энергия еще в 200 миллионов раз большая, чем в любой химической реакции, и при этом делении может появиться еще один нейтрон. Тогда он делит следующее ядро, и появляется цепная реакция.

4

В 1939 году было осознано, что уран — это вещество, которое способно производить гигантскую энергию. История практического применения атомной энергии началась с того, что в 1939 году все поняли, что можно сделать атомную бомбу. Первыми ее начали создавать немцы, вслед за ними, испугавшись этого, стали делать англичане, а после уже американцы. Известно письмо Эйнштейна Рузвельту, когда известный молодой физик Силард, эмигрировавший из Европы, где уже разворачивались трагические события, объяснил Эйнштейну, что нужно срочно заниматься этим, потому что Гитлер может оказаться с атомной бомбой. И все эти фантастические предположения от 1939 года закончились тем, что в 1942 году заработал реактор в Соединенных Штатах, первая цепная реакция была практически продемонстрирована. До этого произвести цепную реакцию почти получилось у немцев, но по разным причинам немецкий проект шел медленнее, чем американский.

5

К этому времени было понято, что этот гигантский источник энергии позволит решить все энергетические потребности человека. Начала развиваться атомная энергетика. Великий физик Энрико Ферми, который в 1934 году очень скептически отнесся к тому, что говорила Ида Ноддак, первый сформулировал тот масштаб энергии, который можно получить из урана. Тонкость этого процесса заключается в том, что делится в реакторе уран-235, и в результате мы получаем энергию, а есть еще уран-238. С точки зрения военного применения было понято, что если уран-238 поглощает нейтрон, то образуется плутоний. Плутоний очень хорошо делится, и он хорошая начинка для атомной бомбы. Первые бомбы были плутониевые, а не урановые. Но Ферми осознал, уже думая над энергетикой, что урана-235 всего 0,7% в обычном уране, поэтому если же использовать все гипотетически ожидаемые запасы урана-238, то мы сможем обеспечить энергией человечество не на 100–200 лет, а на тысячелетия. Понимание того, что можно из урана-238 получать плутоний — а он уже является топливом для реактора, — приводит к тому, что мы имеем с каждого килограмма урана почти в 100 раз больше энергии, чем при использовании обычного урана-235. Вся сегодняшняя атомная энергетика на тепловых нейтронах сжигает 0,7% того урана, который добывают.

Рекомендуем по этой теме:
6

Сейчас, когда встает вопрос о том, нужно ли использовать весь уран, нужно создавать реакторы совершенно нового типа. При этом природа устроена удивительно. Оказывается, если перейти к реакторам, которые позволяют эффективно нарабатывать плутоний в реакторе, вы сжигаете 1 кг урана-235, а получаете 1,5 кг плутония или сжигаете 1,5 кг плутония, а получаете 3 кг нового плутония. Они обладают еще уникальным качеством — есть возможность сделать их еще более безопасными.

Совсем недавно, лет 30 назад, возникло понимание, что можно делать реакторы, которые безопасны по своему принципу. Такие работы были и наших ученых — известный Лев Петрович Феоктистов, один из очень известных теоретиков, который работал в атомном проекте в Снежинске, а потом в Академии над проблемой атомных реакторов. Можно построить такую систему, в которой принципиально невозможен разгон реактора. Одна из задач в атомной энергетике — нужно иметь систему безопасности, которая может в любой момент погасить цепную реакцию.

Есть и вторая проблема: даже если вы погасили цепную реакцию, то оставшиеся изотопы, которые в реакторе накоплены, выделяют приличную мощность. После останова реактора его следует охлаждать. Если вы его не охлаждаете, он может расплавиться, тогда могут вылетать радионуклиды, попадать в окружающую среду. Удивительно, что переход на реакторы на быстрых нейтронах, которые являются наработчиками плутония, позволяет перейти к металлическим теплоносителям, которые снимают и эту проблему. Если в водяном реакторе вы не подаете воду, начинается перегрев и выделение водорода в результате пароциркониевой реакции, а потом взрыв водорода. Чтобы этого избежать, создаются сложные технические системы безопасности, их еще многократно резервируют.

7

То, что является предметом исследований сегодня и чем занимаются все ведущие страны мира, — это создание новых типов реакторов четвертого поколения, которые решают сразу две проблемы: безопасность совершенно иного уровня по сравнению с существующими технологиями и неограниченный ресурс энергии для человечества. Другими словами, существующих запасов урана тогда однозначно хватает на тысячелетия без иных возможностей, которые тоже можно обсуждать, поскольку на горизонте есть термояд, но это пока фундаментальная задача. И при этом нужно понимать, что речь идет не только о глобальном потеплении, а это тепловая энергетика, которая может способствовать глобальному потеплению. Вообще-то мы входим сейчас по всем канонам геологических циклов в период глобального похолодания. И что будет делать человечество в очередные несколько тысяч лет, если мы движемся к глобальному похолоданию? Есть ответ природы: запасов урана хватает, даже когда нет никакой органики, человечество может обеспечить себя энергией и, соответственно, развиваться.