Радиоактивность вокруг нас

Чекмарев А.М.
(«ХиЖ», 2008, №10)

Пожалуй, ни одно физическое явление не порождало столько страхов и мифов, сколько радиоактивность. Чтобы напомнить о фактах, стоящих за мифами, мы публикуем две статьи Александра Михайловича Чекмарева. Первая посвящена общим сведениям, а вторая (в следующем номере) - работе ядерных реакторов и проблеме радиоактивных отходов.

Первое — надо понять: с какой энергетикой мы хотим познакомиться?

В 1945 году во время Потсдамской (Берлинской) конференции президенту США Гарри Трумэну сообщили, что проект «Тринити» успешно завершен и в пустыне Аламогордо в 5 часов 30 минут 16 июля испытана первая в мире атомная бомба. С тех пор так и повелось: атомная бомба, атомная энергия, атомный реактор и т. д. На самом же деле это не атомная бомба, а ядерная! Ведь название должно отражать источник используемой энергии и характер рождающих ее сил. В случае ядерной энергии — это внутриядерные силы, возникающие между элементарными частицами (нейтронами и протонами) внутри ядра. Они во много раз превышают все силы другой природы — гравитационные, электростатические и проч. Если источник энергии — внутриядерные силы, то и бомба, и реактор, и взрыв — ядерные. А атомная энергия — это энергия объединения атомов в молекулу или перераспределения атомов в различных молекулах. Когда в костре горят дрова, то атомы углерода (или атомы органической молекулы) соединяются с кислородом — получаются молекулы нового вида и выделяется энергия. Вот ее и надо бы назвать атомной.


Что такое радиоактивность

Когда более 100 лет назад была открыта естественная радиоактивность урана (А.Беккерель получил за это Нобелевскую премию по физике 1903 года), человечество вступило в ядерную эру. Вскоре после этого ученые доказали, что радиоактивные естественные источники могут испускать три типа лучей: α, β, γ.

pic_2008_10_13.jpg

1. Радиоактивный распад ядра атома радия

Первая — α-частица, состоит из двух протонов и двух нейтронов, ее масса равна четырем атомным единицам, а заряд — + 2. Эти частицы испускают некоторые радиоактивные изотопы с атомным номером более 83. Альфа-частицы не могут проникать далеко и глубоко — их полностью задерживают несколько сантиметров воздуха или даже лист бумаги. Они не проходят сквозь кожу, поэтому мало опасны при внешнем облучении. Однако на небольших расстояниях они опасны, особенно если попадут внутрь тела и в кровь, поскольку алфа-частицы сильно ионизируют ткани и могут повредить внутренние органы. Из-за сравнительно большой массы для них характерна, как говорят физики, большая плотность ионизации: на своем коротком пути они ионизируют и разрушают практически все встречающиеся атомы и молекулы. Схему α-распада можно проследить на примере распада радия. Испуская α-частицу, ядро радия теряет два протона (рис. 1), то есть его атомный номер изменяется с 88 до 86 — вместо радия появляется радон. Кроме того, теряется два нейтрона, и в сумме масса уменьшается на четыре единицы. Поскольку порядковый номер в таблице Д.И.Менделеева определяется зарядом ядра, то есть числом протонов в нем, номер нового образующегося элемента на две единицы меньше, чем у исходного распадающегося элемента.

Второй тип лучей, β-частицы – это быстрые электроны, которые ядро испускает при распаде, их масса в 1836 раз меньше массы протона. Они могут проникать гораздо глубже, и потому они опаснее даже при внешнем облучении. При β-распаде нейтрон в ядре превращается в протон (для сохранения общей нейтральности должна родиться парная положительная частица). Соответственно атомный номер образовавшегося элемента становится на единицу больше исходного, а атомная масса остается неизменной (поскольку масса β-частицы близка к нулю). Так из распадающегося свинца образуется следующий элемент висмут: 21082Pb = 21083Bi + 0-1e (0-1e – это, собственно, β-частица; верхний индекс – массовое число, нижний – заряд).

Третий тип излучения, γ-лучи могут проникать на большие расстояния и при определенных условиях наиболее опасны, поскольку могут ионизировать молекулы организма. Испускание γ-кванта не изменяет ни заряда, ни массы ядра.

pic_2008_10_12.jpgВ урановых рудах достаточно быстро были открыты даже более мощные источники излучения, чем уран, – радий и полоний. А затем ученым удалось установить, что в этих рудах «проживают» целые радиоактивные семейства. После распада первых членов таких семейств (α, β-распад) образуются новые радиоактивные элементы, которые, в свою очередь, продолжают «семейные» радиоактивные связи. В природе известны три семейства, в которых распадающиеся ядра следуют один за другим (одно из них – в табл.).

Для дальнейшего рассказа нельзя не вспомнить про важнейшее свойство каждого радиоактивного элемента – период полураспада. Легче всего смысл этой константы объяснить так: если вы возьмете любое количество радиоактивного элемента, то по прошествии определенного времени половина атомов распадется. После второго такого же промежутка времени распадется половина от первоначально оставшейся половины (останется четверть от исходного количества) и так далее. Считается, что через 6—10 периодов полураспада остается такое малое количество атомов радиоактивного элемента (около 0,1%), что им можно пренебречь. Многие ученые пытались изменить период полураспада самыми разными воздействиями – сверхмощными полями, температурой (от абсолютного нуля до сверхвысоких), сверхвысокими давлениями — но результата никто не достиг. Период полураспада всегда оставался неизменным.

После открытия радиоактивности сначала думали, что это самопроизвольный распад ядер некоторых химических элементов, расположенных в конце таблицы Менделеева. Однако в 1906 году оказалось, что слабую β-активность проявляют калий и рубидий, расположенные далеко от конца таблицы. Их периоды полураспада огромны тысячи миллиардов лет, а β-излучение имеет очень малую энергию. Но самое главное было установлено: радиоактивность свойственна не только тяжелым атомам.

Тогда возникла другая теория: все элементы Вселенной радиоактивны, все они превращаются друг в друга и все в конечном счете обречены на гибель. Только огромные периоды полураспада и мягкость излучения не дают возможность зафиксировать факт распада всех элементов. Эту гипотезу пока никто не подтвердил, но и не опроверг. Однако число вновь открываемых радиоактивных изотопов постоянно растет. Сейчас естественная радиоактивность обнаружена у изотопов более 50 элементов, причем они не относятся к радиоактивным семействам.

Естественные радиоактивные элементы начали применять очень быстро: препараты радия и полония как очень долгосрочные небольшие источники тепловой энергии, радий в смеси с фосфором – для светящихся составов. Уран еще до открытия радиоактивности использовали в медицине, в фотографии, для окраски стекол, в составе некоторых катализаторов. К применению изотопов мы еще вернемся.

В то время мало знали о воздействии излучения на живой организм. После того как радиацию начали активно использовать в разных областях науки, техники ив повседневной жизни, оказалось, что люди, работающие с ней, болеют чаще. Одними из первых стали болеть мастера, изготовлявшие самосветящиеся краски (смесь фосфора с радием). Ими окрашивали стрелки и циферблаты часов, а владельцы и не подозревали, что носят на своем теле источник радиоактивного излучения. Художники, рисовавшие радиоактивным составом цифры, брали кисточки с краской в рот и губами заостряли их. Это было далеко не безобидным занятием. Стали болеть рабочие урановых рудников, часто заболевали врачи-рентгенологи. Так было до тех пор, пока не были выработаны четкие правила работы, установлено допустимое время контакта с источниками излучения и разработаны средства защиты. Сегодня статистика заболеваний рентгенологов не отличается от статистики для врачей других профессий.

Но семя сомнений было брошено, и малограмотные защитники природы и участники «зеленых» движений по сей день настойчиво твердят: никакой радиации, ни в каком виде и нигде! Но это неверно. Человек всегда жил и живет в радиационном поле (как в гравитационном, магнитном), и открытие радиоактивности это подтвердило. Радиация появилась не по воле ученых. 


Радиация и эволюция

Противникам радиации надо для начала задуматься о том, что сам человек обязан своим появлением не только эволюции и отбору, но, возможно, и повышенному уровню естественной радиации. Сегодня практически все ученые признали, что в то время, когда на Земле существовали первые одноклеточные образования с ядром — это было в период докембрия (1—2 млрд. лет назад), в Западной Африке работал самый настоящий природный ядерный реактор. Оказывается, в природе могут сложиться благоприятные условия для такого редкого феномена.

Во-первых, концентрация изотопа U-235, ответственного за протекание цепной ядерной реакции, в те далекие времена была не 0,72% (как сегодня во всех известных месторождениях урана), а около 3%. Это легко посчитать: оба изотопа – U-238 (практически не участвующий в цепной ядерной реакции) и U-235 (обеспечивающий цепную реакцию) α-радиоактивны и имеют разные периоды полураспада. Период полураспада U-238 приблизительно в 6,6 раза больше периода полураспада U-235 (то есть U-235 распадается быстрее). Следовательно, через 2 млрд. Лет содержание U-235 в естественном уране будет около 0,2% (вместо нынешних 0,72%), а 2 млрд. лет назад было 3% – то есть тогда уран обладал свойствами обогащенного.

Ученые приблизительно воссоздали вид древнего месторождения в Западной Африке. Это была длинная, широкая (до 0,9 км) и толстая (до 10 м) жила, пронизанная грунтовыми водами. Кое-где находились глинистые линзы (20х1 м) со средним содержанием урана 40% (такие месторождения редко, но еще встречаются кое-где на Земле). В те времена в таких линзах могла начаться и долго поддерживаться цепная ядерная реакция, причем благодаря процессам саморегулирования (они хорошо изучены) реактор не взрывался. Ученые подсчитали, что мощность такого реактора была около 25 кВт, а работать он мог до 600 тысяч лет. Можно себе представить, какое количество радиоактивных осколков там накопилось и какой радиоактивный фон был вокруг.

Такой реактор мог быть причиной многочисленных мутаций одноклеточных образований, одна из которых легла в основу эволюционной цепочки, закончившейся рождением современного человека. Слово «мутация» для многих имеет отрицательный оттенок – ухудшение вида, рождение уродов, наследственные болезни. Но это совсем не так. Отбор положительных мутаций (кстати, довольно часто ученые вызывают их радиоактивным облучением) лежит в основе селекции новых полезных видов растений и животных.

Казалось бы, какая связь между мутацией одноклеточных образований, происходившей миллиарды лет назад, и обликом современного человека? Отдаленные последствия ничтожных изменений на ранних стадиях биологической эволюции описал в рассказе «И грянул гром» Рей Брэдбери. В нем речь идет о сафари в далеком прошлом, которое стало возможно благодаря машине времени. Охотники должны были идти только по металлической тропе, проложенной над Землей на высоте шести дюймов. Убивать можно было только тех животных, которые через несколько мгновений все равно погибли бы по естественной причине. Инструктор давал простое объяснение:

«Мы не хотим изменить Будущее. Здесь, в Прошлом, мы незваные гости... Сами того не зная, мы можем убить какое-нибудь важное животное, пичугу, жука, раздавить цветок и уничтожить важное звено в развитии вида... Допустим, мы случайно убили здесь мышь. Это значит, что всех будущих потомков этой мыши уже не будет – верно? Значит, неосторожно ступив ногой, вы уничтожите не одну, и не десяток, и не тысячу, а миллион – миллиард мышей! А как с лисами, для пропитания которых нужны были именно эти мыши? Не хватит десяти мышей – умрет одна лиса. Десятью лисами меньше – подохнет от голода лев. Одним львом меньше – погибнут всевозможные насекомые и стервятники, сгинет неисчислимое множество форм жизни. И вот итог: через пятьдесят девять миллионов лет (а именно на такой срок машина времени отправила охотников в прошлое) пещерный человек, один из дюжины, населяющий весь мир, гонимый голодом, выходит на охоту за кабаном или саблезубым тигром. Но вы, друг мой, раздавив одну мышь, тем самым раздавили всех тигров в этих местах. И пещерный человек умирает от голода. А этот человек, заметьте себе, не просто один человек, нет! Это целый будущий народ. Уничтожьте одного человека – и вы уничтожите целое племя, народ, историческую эпоху. Раздавите ногой мышь – это будет равносильно землетрясению, которое исказит облик всей Земли, в корне изменит наши судьбы...»

Если мы опять вернемся к Африке, то биологи в настоящее время признали, что именно там произошел человек. Место, наиболее богатое на находки, – это озеро Туркана (Северная Кения). Там найдено много стоянок первобытного человека. С другой стороны, в Юго-Восточной Африке находятся самые крупные месторождения урановых руд, эта же часть африканского материка отличается повышенной вулканической, сейсмической и тектонической активностью. Советский ученый Г.Н.Матюшин пришел к выводу, что активный вулканизм, интенсивное горообразование, землетрясения и разломы земной коры могли привести к обнажению урановых залежей и резкому повышению радиоактивного фона. Повышенная радиация и вызвала у обитавших там человекообразных мутации, в результате которых, нарушив плавный ход эволюции, появились прямые потомки современного человека. Как знать, если бы все шло своим чередом, ходить бы нам сейчас с дубиной на мамонта, вместо того чтобы делать реакторы и ядерные бомбы.


Наши слагаемые дозы

Источники излучения, воздействующие на человека, делятся на естественные (природные, существовавшие всегда) и искусственные (техногенные, возникшие в результате человеческой деятельности). Дозой называется количество энергии излучения, поглощенное единицей массы облучаемого тела. Поскольку разные виды излучения оказывают на организм человека при одинаковых дозах неодинаковое воздействие (см. про разные типы излучений), поглощенную дозу надо умножать на коэффициент, зависящий от вида излучения и той ткани, которая подверглась облучению. Так, если для β- и γ-излучения этот коэффициент приблизительно одинаков и его условно можно принять за единицу, то способность α-излучения повреждать ткани организма при той же поглощенной дозе в среднем в 20 раз больше. Поглощенную дозу, умноженную на коэффициент, учитывающий неодинаковую опасность разных видов излучения, называют эквивалентной дозой и измеряют в зивертах. Для рентгеновского, β- и γ-излучения один зиверт соответствует поглощенной телом энергии в1 Дж/кг (0,24 кал/кг). Теперь можно перейти ик цифрам.

pic_2008_10_14.jpg

2. Средние годовые дозы облучения

а - все источники радиации

б - естественные источники радиации

Цифры — величина дозы в миллизивертах

Как мы уже говорили, еще до рождения ядерной энергетики человек всегда жил в условиях радиоактивного излучения — только узнали об этом лишь после открытия Беккереля. Сейчас известно, что радиационный фон, создаваемый космическими лучами, дает чуть меньше половины облучения от естественных источников (рис. 2). Из-за земного магнетизма полярные области получают больше космических лучей, чем экваториальные. Достается больше и людям, живущим в высокогорных районах, а также пассажирам современных воздушных лайнеров. Равнинные жители получают порцию космических лучей, равную 300 микрозивертам в год, а на высоте 3000 м — в несколько раз больше (максимальная высота, на которой живут люди, — 4000 м). На 12 000 м (максимальная высота полета авиалайнеров) уровень облучения из космоса возрастает в 25 раз.

Излучает также Земля, на которой мы живем, а точнее, естественные радиоактивные элементы, причем больший вклад вносят калий-40 и рубидий-87. В большей или меньшей степени радиоактивны все земные материалы, так что далеко не безразлично, из чего сделаны наши дома. Большинство людей получает от 0,3 до 0,6 миллизиверта в год за счет земной радиации. Около 3% населения получает 1 миллизиверт в год, и всего 1,5% — более 1,4 миллизиверта. Легко видеть, что 1 зиверт в энергетическом выражении — величина небольшая (0,24 кал), а уж миллизиверт и подавно.

Недалеко от города Посус-даи-Калдас в Бразилии уровень радиации в 800 раз больше среднего (до 250 миллизивертов в год). В этом месте никто не живет, но лишь ненамного меньший уровень наблюдается на морском курорте Гуарапари, чье население в 12 тысяч человек пополняется каждое лето 30 тысячами отдыхающих. На пляжах этого курорта уровень радиации доходит до 175 миллизивертов в год. Подобные явления наблюдаются и в Индии, где, как и в Бразилии, расположены месторождения тория (так называемый моноцитовый песок). В Иране есть место, где бьют ключи, вода которых богата радием. Уровень радиации там — 400 миллизивертов в год. Есть такие места и в других странах.

В среднем от земных источников естественной радиации мы получаем примерно 350 микрозивертов в год (то есть индивидуальные дозы у большинства из нас ближе к 0,3 миллизиверта). Примерно две трети дозы человек получает от радиоактивных элементов, которые попадают внутрь тела с пищей, водой и воздухом.

Если говорить о том, какой именно элемент вносит наибольший вклад в наше внутреннее облучение, то это газ радон и продукты его распада. Его доля — около 75% годовой индивидуальной дозы облучения человека от земных источников и около половины дозы от всех источников радиации. Радон выходит из земной коры почти везде, но его концентрация различна в разных точках земного шара. Следует знать, что основную часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении. В зонах с умеренным климатом концентрация радона в таких помещениях примерно в восемь раз выше, чем на открытом воздухе. Этот газ выделяют все строительные материалы, но дерево, кирпич и бетон относительно немного. Гораздо больше выделяет гранит (в Москве самый высокий уровень радиации на станции метро «Маяковская», которая облицована гранитом и мрамором, и гранитный постамент памятника Петру I тоже заметно «светится»). Вода, столь необходимая для жизни, — также источник радона.

Нельзя не упомянуть и о других источниках радиоактивности, которые нас окружают буквально повсюду. Уголь всегда содержит все урановое семейство. И хотя концентрация урана в угле редко превышает его концентрацию в земной коре, при сжигании угля радиоактивные элементы многократно концентрируются в золе, причем в самых мелких (не улавливаемых электрофильтрами) частицах. Радиоактивна и пыль на улицах городов, а между тем ее часто добавляют в цемент, из которого делают бетонные строительные блоки. Целебные термальные и другие минеральные воды тоже излучают.

Для производства фосфорных удобрений используют природные фосфаты, которые всегда содержат уран. Вместе с удобрениями на поля выбрасывают около 15 000 т урана. Всего даже и не перечислить. И особо надо сказать о медицинских процедурах и многочисленных препаратах, содержащих радиоактивные изотопы.


Цепная реакция

После открытия нейтрона физики увлеклись преобразованием ядер с помощью этой частицы. Молодой физик Энрико Ферми (ему было 33 года) под влиянием новейших открытий оставил свои теоретические изыскания и с головой окунулся в экспериментальные исследования на физическом факультете Римского университета. Нейтроны так увлекли его, что, собрав вокруг себя группу молодых сотрудников-энтузиастов, он стал облучать нейтронами все, что только возможно, – от водорода до элемента № 92 урана.

Еще не дойдя до урана, Ферми заметил, что эффективность бомбардировки нейтронами возрастает, когда опыт проводят в воде. Если источник нейтронов отделить от мишени парафином, то эффект был примерно такой же. В ряде случаев после бомбардировки нейтронами ядер элементов из них получались радиоактивные изотопы. После бомбардировки урана Ферми обнаружил не один, а целый ряд таких изотопов.

Опыты с ураном провели в 1934 году. Когда в продуктах облучения урана оказалось по крайней мере четыре радиоактивных элемента, Ферми объяснил это тем, что образуется цепочка трансурановых элементов. Видимо, группа Ферми впервые наблюдала синтез плутония-239, который сегодня используют и для ядерной бомбы, и для реактора. Теперь уже хорошо известно, что плутоний получается так: ядро урана-238 захватывает один нейтрон и превращается в изотоп урана-239, ядро которого находится в возбужденном состоянии. Испуская β-частицу, оно превращается в ядро нептуния-239. Процесс этот достаточно быстрый, поскольку период полураспада урана-239 — всего 23 минуты. Нептуний-239, в свою очередь, распадается с испусканием β-частицы (период полураспада 23 дня) и превращается в плутоний-239, который излучает α-частицы с периодом полураспада 24 000 лет.

pic_2008_10_16.jpg

3. Деление урана-235

Всего этого Ферми не знал. Он не идентифицировал радиоактивные ядра, которые образовывались в его экспериментах, — открытие нептуния и плутония произошло гораздо позже. Некоторые ученые (в основном химики) высказали предположение, что под действием нейтронов ядро урана может разделиться на две половины, но физики, и прежде всего сам Ферми, думали что это невозможно. Физики победили, и это отодвинуло открытие механизма деления на четыре года. Только в 1938 году немецкий химик Отто Ганн и его коллега Фриц Штрассман открыли в продуктах облучения урана радиоактивные барий и лантан (рис. 3).



pic_2008_10_17.jpg

4. Идеальная цепная реакция в уране

n- нейтрон; U - уран; F – ядра-осколки

При делении одного ядра урана образуется два осколка, от двух до трех нейтронов, и выделяется около 0,77×1011 калорий. Казалось бы, величина ничтожная, но на второй стадии два нейтрона попадают в новые ядра, и получается уже четыре нейтрона, на третьей стадии – восемь... Так выглядит идеальная расширяющаяся цепная реакция (рис. 4). Каждая следующая стадия деления происходит всего через 10-8 с. Можно посчитать, что всего через 7,5×10-7 с после расщепления первого ядра идеальный процесс, в котором нет потерь нейтронов, распространится на 1024-1025 ядер, то есть примерно 1 кг урана. Это означает, что через мгновение после начала цепная реакция приведет к грандиозному выделению энергии – то есть взрыву. Но в природе все не так просто.

Оказалось, что природный уран – это смесь двух изотопов (ураном-234 можно пренебречь): урана-238 (90,274%) и урана-235 (0,72%). И эти два изотопа ведут себя при бомбардировке нейтронами совершенно по-разному. Уран-238 захватывает нейтрон без деления (точнее, делится только одно из пяти захвативших нейтрон ядер) и, как мы уже описали, превращается в плутоний-239. Уран-235 делится, распадаясь на два осколка, два-три нейтрона, и при этом выделяется энергия. Но поскольку на один атом урана-235 приходится около 140 атомов урана-238, идеальная цепная реакция невозможна. Ведь большинство выделяющихся при делении урана-235 нейтронов поглотит уран-238.

Эти трудности можно преодолеть, если замедлить вылетающий при делении нейтрон (а их скорость близка к скорости света), поскольку медленные нейтроны уран-238 захватывает гораздо хуже. Нейтроны замедляются при столкновении с ядрами углерода, бериллия, водорода, а лучше всего – с ядрами дейтерия. Причем даже медленные нейтроны летят с довольно большой скоростью – более 2 км/с.

Понятно, что нейтроны надо замедлять сразу после их вылета из распавшегося ядра и до встречи с другими ядрами урана. Поэтому в первых реакторах слои урана перемежали слоями замедлителя (графит), а в современных уран помещают в тонкие трубки, вокруг которых расположен замедлитель (тяжелая вода, графит). На самом деле причин потерь нейтронов не одна, а три: захват ядрами урана-238, захват посторонними примесями и вылет за пределы урановой массы. Как нейтрализовать первую, мы уже обсудили. Примеси приходится тщательно удалять химическим способом при производстве урана. Иногда требуется очистка до 10-6%. Что касается утечки нейтронов в окружающее пространство, то с этим можно бороться, увеличивая массу взятого урана. Если делящийся материал сформировать в виде шара, то его масса будет пропорциональна радиусу в третьей степени, а поверхность — радиусу во второй степени. Соответственно увеличение размера шара приводит к уменьшению его поверхности на единицу массы. А поскольку утечка нейтронов происходит с поверхности, увеличение массы урана уменьшает вероятность этих потерь. Значит, начиная с определенной массы, цепная реакция не будет затухать из-за утечки нейтронов в окружающее пространство. Такая граничная масса делящегося материала называется критической.

Сколько нужно делящегося материала, чтобы поддерживать цепную реакцию? Ученые быстро подсчитали и проверили на практике, что для идеально чистого без примесей U-235 в форме шара, критическая масса составит 50 кг. Если же этот шар поместить в воду, которая будет частично отражать и возвращать в реакцию вылетающие нейтроны, то потребуется только 20 кг. А если уран разбить на слои и поместить их в воду, хватит всего одного килограмма. Если же растворить соль U-235 в воде (сделать гомогенный реактор), то критическая масса снизится вообще до 800 г.

Минимальное количество делящегося материала, в котором самопроизвольно поддерживается цепная реакция, зависит не только от количества делящегося вещества, но и от внешних условий: наличия отражателя нейтронов, геометрии сосуда, присутствия замедлителя и так далее. Один из пионеров ядерной энергетики в СССР академик И.В.Петрянов так объяснял студентам: «Два раззявы, – говорил академик, – налили раствор плутония в корыто. Пока раствор тонким слоем был разлит по дну корыта – критической массы не было. Но они взяли корыто и наклонили его. Раствор слился в угол, образовался толстый слой, а с ним и критическая масса. Началась цепная реакция — раззявы облучились».

Для того чтобы цепная реакция продолжалась, вовсе не обязательно, чтобы каждый нейтрон вызывал другое деление. Минимальное условие — после деления каждого ядра, по крайней мере, один нейтрон должен вызывать деление другого ядра. Это условие выражает коэффициент размножения: отношение числа нейтронов на какой-то стадии к числу нейтронов на предыдущей стадии. Если он равен 1, то у нас неразветвляющаяся, но и не затухающая цепная реакция. Меньше единицы – реакция затухнет, а больше – разветвится и очень быстро приведет к взрыву. Поэтому надо снижать коэффициент до единицы. Как? Вводя в зону реакции стержни, сделанные из элементов, чьи ядра сильно поглощают нейтроны (кадмий, бор, европий, гадолиний и др.). Это и есть принцип работы энергетического ядерного реактора. Практически все время выделяется одно и то же количество энергии, которое используют для нагревания воды и получения пара. Он, в свою очередь, вращает турбину, соединенную с генератором электроэнергии. Если выделение энергии в ядерном реакторе падает, его можно поднять частичным выведением поглощающих нейтроны стержней из зоны реакции (и наоборот).

Первый в мире реактор с управляемой цепной реакцией создал Э.Ферми в 1942 году. Он получал уран из всех возможных источников (банки по 50—100 фунтов весом). Под трибунами стадиона Колумбийского университета его команда собирала первый реактор: сооружение из графитовых кирпичей, в промежутки между которыми укладывали жестяные банки кубической формы, наполненные оксидом урана. Вокруг этого сооружения поместили счетчики нейтронов, ожидая момента, когда они заработают, возвещая о начале цепной реакции деления урана и начале новой ядерной эры в истории человечества.

В кладке реактора оставили специальные каналы, куда вставили стержни, изготовленные из материала, сильно поглощающего нейтроны. Когда 2 декабря 1942 года сооружение, по расчетам Ферми, было завершено, он приказал вынуть стержни. Счетчики нейтронов защелкали, реакция началась. Затем стержни снова опустили в реактор – она прекратилась. Как писал один из современников, в этот день Энрико Ферми действительно впервые в мире осуществил управляемую цепную ядерную реакцию и открыл дверь в ядерный век.

Мало кто в то время помышлял о полезном использовании ядерной энергии. Очень скоро ученые научились разделять изотопы урана методом газовой диффузии, а в работающем реакторе получили другой делящийся материал – изотоп плутония-239. В отличие от сложного процесса разделения изотопов урана, плутоний отделяли гораздо более простыми химическими методами, с неизмеримо меньшими усилиями. Человек получил в свое распоряжение значительные количества U-235 и Pu-239. Это случилось к концу Второй мировой войны, поэтому все мысли ученых были направлены на решение военных задач. Была создана ядерная бомба.


Испытания ядерной бомбы

То, что человечество впервые познакомилось с ядерной энергией в виде бомбы, а не мирных электростанций, наложило отпечаток на отношение к ядерной энергии вообще. Действительно, взрывы и последовавшие за ними испытания ядерных бомб в воздухе, на земле и в воде имели губительные последствия. Максимум испытаний приходится на 1954—1958 годы (взрывы проводили Великобритания, США и СССР), а также 1961—1962 годы (в основном США и СССР). В 1963 году США и СССР подписали договор об ограничении испытаний ядерного оружия во всех средах (кроме подземных), а Франция и Китай продолжали взрывы в атмосфере.

При испытаниях бомб часть радиоактивных элементов, образующихся при делении ядер урана, выпадает неподалеку, но значительная часть задерживается в нижних слоях атмосферы и переносится ветром на большие расстояния. Более того, существенное количество радиоактивного материала мощным взрывом выбрасывается на высоту 10—50 км, где и остается многие месяцы, медленно опускаясь и рассеиваясь по всей поверхности земного шара.

Радиоактивные осадки содержат большое число всевозможных радионуклидов, однако большинство из них быстро распадается. Наибольшую же опасность несут углерод-14, цезий-137 и стронций-90. Цезий-137 и стронций-90 имеют период полураспада порядка 30 лет – легко подсчитать, что для их распада до безопасного уровня потребуется лет 200—300. Углерод-14 с его периодом полураспада 5730 лет будет оставаться источником облучения даже в отдаленном будущем. Несмотря на сравнительную мягкость его излучения, углерод-14 опасен тем, что может встраиваться в ткани организма, ведь он – один из элементов органического мира.

Глобальный «запас» трития на Земле – самого тяжелого и радиоактивного изотопа водорода до начала ядерных испытаний составлял всего 10 г, причем около 85% этого количества было растворено в водах океана. Испытания привели к резкому росту содержания трития в атмосфере.

Конечно, ни дезактивация, ни захоронение радиоактивных отходов при ядерных взрывах невозможны. Разве что можно было бы провести дезактивацию грунта на месте наземных ядерных испытаний. Мы помним печальную судьбу атолла Бикини (Тихий океан, Маршалловы острова), где США с 1946 по 1958 год проводили испытания ядерного и водородного оружия — всего за это время было взорвано 23 бомбы. В печати тогда обсуждали, какое огромное количество зараженного грунта необходимо срыть и глубоко закопать в каком-либо безлюдном месте, чтобы дать возможность аборигенам снова занять обжитые места.

Поэтому единственный способ борьбы с радиоактивным загрязнением и лучевым воздействием в случае военного применения ядерной энергии — полное запрещение ядерных испытаний. Победа почти близка, многие ядерные державы приняли добровольный мораторий на ядерные испытания в любых средах. Наибольшую опасность представляют новички «ядерного клуба», ведь страна, сделавшая ядерное оружие, стремится его испытать. К счастью, такие взрывы обычно не бывают мощными.

Разные разности

03.12.2018 18:00:00

...космическая система обнаружения дневных астероидов позволит в течение 5 лет выявить не менее 3000 астероидов размером более 10 м...

...Управление по контролю продуктов и лекарственных препаратов США одобрило новый противогриппозный препарат с иным механизмом действия, чем у тамифлю и других; препарат называется ксофлюза...

...исследованы с помощью фМРТ процессы в мозге собаки, когда она слышит знакомые и незнакомые человеческие слова...


>>
30.11.2018 10:00:00

Исследователи из Индианского университета обнаружили способ выделить себя среди производителей крафтового пива: надо объявить себя зеленым пивоваром. То есть таким, который борется за экономию энергии и сохранение окружающей среды.

>>
29.11.2018 12:00:00

Сотрудник МГУ имени М.В. Ломоносова просмотрел огромное число образцов многощетинковых червей, идентифицированных как Thelepus cincinnatus и обнаружил, что перед ним представители не одного вида, а четырёх разных.

>>
27.11.2018 18:15:00

Химики из Чалмерского технологического университета (Швеция) решили запасать солнечное тепло с помощью химической энергии.

>>
06.11.2018 15:40:00

…«Science» опубликовал шесть статей, посвященных финальному этапу исследования Сатурна автоматической межпланетной станцией Кассини…

…в Японии, возможно, будет разрешено редактирование генов человеческих эмбрионов в исследовательских целях...

…британские ученые с помощью CRISPR-Cas9 ввели в геном малярийного комара Anopheles gambiae мутацию, которая делает самок бесплодными при сохранении плодовитости самцов; такая мутация может полностью уничтожить вид…

>>