Cтраница 1

Производство плутония осуществляется при помощи контролируемой цепной реакции. Случайный нейтрон, образующийся, например, под действием космических лучей, сталкиваясь с одним из таких атомов, вызывает его деление и освобождение некоторого числа нейтронов. Эти нейтроны вызывают дальнейшее течение реакции; однако цепная реакция не идет в небольшом куске урана, поскольку некоторые нейтроны уходят наружу или поглощаются содержащимися в металлическом уране примесями, такими, как кадмий, ядра которого очень легко соединяются с нейтронами.  

Производство плутония ведется в ядерных реакторах. При протекании самоподдерживающейся реакции деления ядер урана-235 часть нейтронов захватывается неделящимися ядрами урана-238. В результате такого захвата и возбуждаемого им процесса радиоактивных превращений в уране наряду с делением (выгоранием) урана-235 происходит постепенное накопление плутония в количестве, достигающем 50 - 80 % от количества выгоревшего урана. Последующее извлечение плутония и не использованного полностью урана-235 из облученных урановых стержней производится на специальных радиохимических заводах.  

Производство плутония осуществляется при помощи контролируемой цепной реакции. Случайный нейтрон, сталкиваясь с одним из таких атомов, вызывает его деление, сопровождающееся освобождением некоторого числа нейтронов. Однако в небольшом куске урана цепная реакция не возникает, поскольку часть нейтронов уходит во внешнюю среду или поглощается содержащимися в металлическом уране примесями, такими, как кадмий, ядра которого очень легко соединяются с нейтронами.  

Производство плутония в уран-графитовом котле в настоящее время освоено. В 1949 году предполагается, по Вашему решению, постройка и пуск котла большей мощности АВ, что увеличит скорость накопления плутония в 1950 году в 3 - 4 раза по сравнению с концом 1948 года.  

Производство плутония во Франции осуществляется в Маркуле.  

Производство плутония, осуществляется при помощи контролируемой цепной реакции. Случайный нейтрон, сталкиваясь с одним из таких атомов, вызывает его деление, сопровождающееся освобождением некоторого числа нейтронов. Однако в небольшом куске урана цепная реакция не возникает, поскольку некоторые нейтроны уходят во внешнюю среду или поглощаются содержащимися в металлическом уране примесями, такими, как кадмий, ядра которого очень легко соединяются с нейтронами.  

Для производства плутония в большом масштабе из нескольких имеющихся методов разделения была выбрана экстракция органическими растворителями [ 58; 101; 174, стр. Широко использовались два метода экстракции - пурекс - и редокс-процессы - а также различные их варианты. Урановое горючее растворяется в азотной кислоте с образованием раствора, содержащего уран, плутоний и продукты деления. Методы экстракции основаны на различиях в растворимости этих компонентов в органической жидкости, практически не растворимой в воде.  

В радиохимическом производстве плутония и нептуния сорбционные процессы наиболее широко применяют на стадии аффинажа (конечная очистка) и концентрирования элементов. В этом случае сорбционные процессы имеют преимущество перед такими процессами, как выпаривание и осаждение, поскольку более удобны при больших объемах растворов, устраняют трудности, связанные с коррозией аппаратуры, и в большинстве случаев дают дополнительную очистку от коррозионных примесей и продуктов деления. Реализация ионообменных процессов достаточно проста, что существенно при работе с радиоактивными изотопами в заводских и лабораторных условиях.  

Данные о производстве плутония публикуются только во Франции.  

Данные о производстве плутония публикуются только во Франции. В Великобритании до недавнего времени производство плутония было сконцентрировано на заводах Уиид-скейла 95 ] в Кемберленде. В Моле (Бельгия) Организация европейского экономического сообщества, в составе двенадцати членов, предполагает построить завод для выделения плутония стоимостью 12 млн. долларов.  

Для исключения возможности производства плутония оружейного качества и получения более глубокого отрицательного пустотного эффекта реактивности вокруг активной зоны БРЕСТ-300 вместо традиционных для БР урановых экранов-бланкетов создан свинцовый отражатель.  

Химические опасности XX века.

Ядерная авария в производстве плутония, Уиндскей / i (Великобритания) Огневой шар СНГ, Мелдрин (шт.  

В реакторах, построенных для производства плутония, применяется естественный уран, так как воспроизводящий U238 является одновременно мишенью для нейтронов. Кроме обогащенного урана в реакторах-размножителях в качестве мишени применяются другие материалы, например торий для получения U233 или кобальт для получения источников излучения.  

Как уже говорилось, для производства плутония или урана-235 необходимо получать исключительно чистый продукт. Задача заключается в том, чтобы при переработке сотен тонн урановых концентратов выделить исключительно чистый продукт, содержание примесей в котором не должно превышать миллионных долей. При этом особое внимание уделяется удалению таких элементов, как бор, кадмий, индий, и некоторых редкоземельных элементов, жадно поглощающих медленные нейтроны.  

Уран - один из самых удивительных металлов, возможности которого далеко не сразу были осознаны человечеством. Мало кто знает, что уран известен людям еще с античных времен. Именно благодаря его свойствам на рубеже XIX и XX веков произошел коренной перелом в физике, а затем в середине XX века изменился общий ход истории и само мироустройство. Сегодня земную цивилизацию уже невозможно себе представить без урана и той энергии, которая скрыта в его ядре.

Две тысячи лет назад, когда люди еще не знали, что урана надо бояться (тогда, впрочем, он не назывался ураном), они смело применяли природный оксид урана в качестве красителя. Этот оксид придавал красивый желтый цвет глазури, которой покрывали керамические изделия. Кучу таких желтеньких черепков археологи нашли на месте развалин Помпеи. Когда керамические амфоры ушли в прошлое, из оксида урана стали делать краски для живописи по фарфору. Художники также покрывали полотна желтым пигментом, который был не чем иным, как уранатом натрия. С появлением стекольной промышленности оксидом урана стали окрашивать в веселый зеленый цвет стекла. Как видим, ничего пугающего или таинственного.
Содержание урана в земной коре составляет 0,0003%. В поверхностном слое земли встречается четыре вида урансодержащих отложений. Во-первых, это жилы уранинита, или урановой смолки (диоксид урана UO2), очень богатые ураном, но редко встречающиеся. Им сопутствуют отложения радия, так как радий является прямым продуктом изотопного распада урана. Такие жилы встречаются в Заире, Канаде (Большое Медвежье озеро), Чехии и Франции. Вторым источником урана являются конгломераты ториевой и урановой руды совместно с рудами других важных минералов. Конгломераты обычно содержат достаточные для извлечения количества золота и серебра, а сопутствующими элементами становятся уран и торий. Большие месторождения этих руд находятся в Канаде, ЮАР, России и Австралии. Третьим источником урана являются осадочные породы и песчаники, богатые минералом карнотитом (уранил-ванадат калия), который содержит, кроме урана, значительное количество ванадия и других элементов. Такие руды встречаются в западных штатах США. Железоурановые сланцы и фосфатные руды составляют четвертый источник отложений. Богатые отложения обнаружены в глинистых сланцах Швеции. Некоторые фосфатные руды Марокко и США содержат значительные количества урана, как и фосфатные залежи в Анголе и Центральноафриканской Республике, в которых урана еще больше. Многие лигниты (слабоуглефицированная ископаемая древесина бурого цвета, сохранившая анатомическое строение растительных тканей) и некоторые угли также содержат примеси урана. Богатые ураном отложения лигнитов обнаружены в Северной и Южной Дакоте (США) и битумных углях Испании и Чехии. Россия по запасам урана занимает третье место в мире (после Австралии и Казахстана).
Во времена Средневековья живописцев и стекольщиков мало волновал вопрос, что именно содержится в их красках - ведь про уран еще ничего не знали. Первый шаг в открытии и изучении урана был сделан в 1789 году немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом. Он сумел получить из смоляной руды черное металлоподобное вещество и окрестил его ураном в честь не так давно открытой планеты. Позже оказалось, что это был не сам уран, а его окисел. Металлический уран впервые был получен в лаборатории французского химика Юджина Пелиго лишь через 50 лет после открытия Клапрота. И это было не металлоподобное вещество, а тяжелый металл серо-стального цвета, ковкий и гибкий.
Следующий этап изучения урана приходится на конец XIX века, и он связан с именем французского физика Анри Беккереля. Он долгое время занимался изучением различных флюоресцирующих веществ, которые под влиянием солнечного освещения начинают излучать свой собственный, характерный для каждого такого вещества свет. Казалось бы, при чем здесь уран? Тут необходимо сделать небольшое отступление. Дело в том, что в 1895 году Вильгельм Конрад Рентген открыл таинственные Х-лучи. Они возникали в вакуумированной запаянной стеклянной трубке с электродами на концах, когда на эти электроды подавалось высокое напряжение. Эти лучи, известные сейчас как рентгеновские, проникали сквозь большинство материалов и засвечивали фотографические пластинки, завернутые в светонепроницаемую черную бумагу. В то время ученые, конечно, еще не знали, что электроны вырываются из отрицательного электрода (катода), разгоняются электрическим полем, бомбардируют анод и в результате этого из анода могут испускаться рентгеновские лучи. Однако несмотря на непонимание внутреннего механизма явления, сразу было замечено, что возникновение невидимых Х-лучей сопровождалось желтовато-зеленым свечением стекла, которое напоминало свет флюоресцирующих веществ. Было даже высказано предположение, что рентгеновские лучи как раз и есть продукт флюоресценции, то есть они существуют всегда, когда есть флюоресценция. Сейчас, в свете наших знаний о строении атома и природе рентгеновских лучей, эта мысль кажется нелепой, но в то время, когда природа этих лучей была неизвестна, такое предположение казалось вполне естественным.
Итак, Анри Беккерель решил проверить, сможет ли испускать рентгеновские лучи люминесцентный материал, «заряженный» не катодным излучением, а обычным солнечным светом. Беккерель взял фотографическую пластинку, завернул в черную бумагу и положил сверху небольшое количество люминесцентного материала. Можно, конечно, сказать, что Беккерелю повезло. К великому счастью для потомков (а может быть, и к несчастью), из всех возможных светящихся соединений Беккерель выбрал одну из солей урана - сульфат уранила калия. Физик вынес свою конструкцию на солнечный свет и продержал несколько часов.
Вернувшись в лабораторию, Беккерель развернул бумагу и с удовлетворением отметил, что фотопластинка оказалась засвеченной. Предполагаемое присутствие рентгеновских лучей было налицо. Решив провести всесторонние исследования, Беккерель подготовил несколько одинаковых фотопластинок, завернутых в черную бумагу. Только теперь он взял для каждой пластинки разные люминесцентные препараты. Однако среди них был и всё тот же сульфат уранила калия. Сложив все подготовленные материалы в темную тумбочку, Беккерель стал выносить пластинки по очереди на улицу. К великой досаде, как бы хорошо ни светились под воздействием солнечного света препараты, на фотопластинках не появлялось ни малейших следов рентгеновского излучения. Поразмыслив немного, физик вернулся в лабораторию, достал из темной тумбочки дожидающуюся своего часа пластинку с солью урана и проявил ее, не вынося на свет. Пластинка оказалась засвеченной. Беккерель начал экспериментировать с различными соединениями урана и совершенно точно установил, что сила излучения препарата напрямую зависит от количества содержащегося в нем урана (чистый уран излучал в четыре раза сильнее, чем его соль) и что интенсивность излучения урана не падает со временем. Так Беккерель, во-первых, доказал, что рентгеновское излучение никак не связано с люминесценцией, а во-вторых - открыл новый тип излучения, которому дали неоригинальное название лучей Беккереля. Несколькими годами позже излучение получило новое название - «радиоактивность», придуманное француженкой польского происхождения Марией Склодовской-Кюри.

Уран - самый тяжелый элемент, найденный в природе. Чистый металл очень плотный, пластичный, с малой электропроводностью и высокой реакционной способностью. Уран имеет три аллотропные модификации: α-уран (орторомбическая кристаллическая решетка) существует в интервале от комнатной температуры до 668°С; β-уран (сложная кристаллическая решетка тетрагонального типа), устойчивый в интервале 668–774°С; γ-уран (объемноцентрированная кубическая кристаллическая решетка), устойчивый от 774° С вплоть до температуры плавления (1132°С). Поскольку все изотопы урана нестабильны, все его соединения проявляют радиоактивность.

Мария Кюри весьма заинтересовалась новым излучением и попыталась установить, существуют ли другие, кроме урана, элементы, проявляющие свойства радиоактивности. Излучение было подтверждено у тория и у урановой смоляной обманки. Причем излучение обманки было в четыре раза сильнее, чем у чистого урана. Совершенно верно заключив, что обманка содержит новый, еще не известный радиоактивный элемент, Мария и ее муж Пьер приступили к работе, результатом которой стало открытие полония и радия.

Радий - продукт распада урана - представлял для физиков гораздо больший интерес, чем его прародитель. Хотя радиоактивность солей урана была известна, его руды в первой трети ХХ столетия использовались лишь для получения сопутствующего радия, а сам уран считался нежелательным побочным продуктом. Ему нашли применение в основном в технологии керамики и в металлургии, а оксиды урана широко применяли для окраски стекла в цвета от бледно-желтого до темно-зеленого, что способствовало развитию недорогих стекольных производств (изделия этих производств флуоресцируют под ультрафиолетовыми лучами). В настоящее время урановое стекло практически не выпускается и представляет собой антикварную и коллекционную ценность. Во время Первой мировой войны и вскоре после нее уран в виде карбида применяли в производстве инструментальных сталей, аналогично молибдену и вольфраму; 4–8% урана заменяли дорогой вольфрам, производство которого в то время было ограничено. Для получения инструментальных сталей в 1914–1926 годах ежегодно производили по нескольку тонн ферроурана (сплав урана с железом), содержащего до 30% (масс.) урана. Однако такое применение урана продолжалось недолго.

В начале 30-х годов прошлого века физики проводили опыты по бомбардировке различных химических элементов нейтронами. Было обнаружено, что при бомбардировке урана образуются неизвестные радиоактивные вещества. Сразу же возникло предположение, что вещества эти - трансурановые элементы. Но было и другое мнение. Так, немецкий радиохимик Ида Ноддак считал возможным деление ядер урана под действием нейтронов на несколько осколков - изотопов уже известных элементов. Однако в расщепление ядра физики не особо верили - теория трансуранов казалась более убедительной. Но вот в 1939 году появляется статья физиков Лизе Майтнер и Отто Фишера, в которой убедительно доказывался распад уранового ядра на две части под воздействием нейтронов, и впервые появилось выражение «деление ядра». В том же году выводы ученых были подтверждены французским физиком Фредериком Жолио-Кюри. Он изготовил «мишень» из тонкого слоя урана, нанесенного на фольгу, и поместил ее в камеру с газом. Когда к мишени подносили источник нейтронов, газ ионизировался осколками урановых ядер. Подсчитав по степени ионизации энергию осколков, француз был поражен - при делении одного атома урана высвобождалась неимоверно большая энергия, эквивалентная той, что выделяется при окислении нескольких миллионов атомов углерода. В том же году подтвердилось исключительно важное предположение о том, что при делении атома урана выделяются дополнительные нейтроны, которые тоже могут расщеплять атомы. Это означало, что ядерная реакция может поддерживаться сама собой.
В 1939 году, когда было осуществлено деление изотопа урана 235U, начала складываться урановая промышленность. Это привело к технической реализации контролируемой цепной реакции деления урана в декабре 1942 года. Так началась эра атома, когда уран из незначительного химического элемента превратился в один из наиболее важных элементов в жизни общества. Военное значение урана для производства атомной бомбы, а также использование его в качестве топлива для ядерных реакторов привели к бурному росту спроса на уран.

Интересна хронология роста потребности в уране по истории отложений в Большом Медвежьем озере (Канада). В 1930 году в этом озере была обнаружена смоляная обманка - смесь оксидов урана, а в 1932-м на этом участке была налажена технология очистки радия. Из каждой тонны руды (смоляной обманки) получали 1 г радия и около половины тонны побочного продукта - уранового концентрата. Однако радия было мало, и его добыча была прекращена. С 1940 по 1942 год разработку возобновили и начали отправку урановой руды в США. В 1949-м аналогичная очистка урана с некоторыми усовершенствованиями была применена для производства чистого UO2. Это производство росло, и в настоящее время оно является одним из наиболее крупных производств урана.

В мире стремительно наступала эра атомных бомб и атомной энергетики. Контролируемая цепная ядерная реакция приводит к постепенному выделению энергии, что используется для производства электроэнергии на атомных электростанциях. Неконтролируемая цепная ядерная реакция приводит к лавинообразному делению ядер и моментальному высвобождению огромного количества энергии - ядерному взрыву. Принцип в обоих случаях один: расщепляясь, ядро урана испускает нейтроны, которые расщепляют соседние ядра, которые тоже испускают нейтроны. Процесс, в принципе, может идти, пока не израсходуется весь материал. Главная проблема заключается в том, что самоподдерживающаяся ядерная реакция может происходить не в любом уране. Природный уран содержит три изотопа - U234, U235 и U238. Основную массу естественного урана составляет U238, а цепную реакцию деления ядер может поддерживать только изотоп U235, которого в природном уране всего 0,7%. Поэтому необходимо обогатить природный уран, то есть повысить в нем процентное содержание нужного изотопа (U235). Топливный уран содержит около 4% U235, а степень обогащения оружейного урана колеблется от 80 до 90%. Причем чем выше концентрация изотопа, тем выше оружейные свойства материала.
После извлечения из урана изотопа U235 остается так называемый обедненный уран (содержание изотопа U234 в природном уране составляет всего несколько тысячных долей процента, и практического применения этот изотоп не находит). Так как основное назначение урана - производство энергии, обедненный уран с содержанием U235 меньше 0,7% практически бесполезен. Однако в мире накоплено огромное количество обедненного урана, масса которого исчисляется сотнями тысяч тонн. Одна из глобальных проблем современности - найти обедненному урану достойное применение. Сейчас он идет на замену других металлов высокой плотности. Используют его чаще всего в качестве балласта в приборах и аэрокосмических аппаратах.
Применяют обедненный уран и в военных целях, но уже не как боевой заряд для бомб и ракет, а в качестве сердечников для подкалиберных бронебойных снарядов. Известно, что порошкообразный уран может самопроизвольно воспламениться в воздухе при нагреве до 150° C. Когда урановый сердечник пронизывает броню танка, он попадает в заброневое пространство боевой машины, на выходе из брони разрушается, превращается в пыль и загорается, превращая танк в настоящий крематорий на гусеницах. Уранокерамика, содержащая U238, входит в состав многослойной брони в некоторых модификациях американского танка «Абрамс».
Изотоп U238 не может непосредственно использоваться как ядерное топливо, так как слишком велика энергия нейтронов, необходимая для его расщепления, но в реакторах на быстрых нейтронах он используется в качестве экранов, отражающих нейтроны, вылетающие из активной зоны, и возвращающих их обратно. При этом атомы U238 захватывают часть нейтронов, превращаясь в U239. Уран-239 весьма нестабилен и превращается в Нептуний-239, первый трансурановый элемент, который так упорно искали в конце XIX века. И уже Нептуний-239, тоже нестабильный элемент, превращается в Плутоний-239, оксиды которого в смеси с оксидами урана могут быть использованы в качестве топлива в легководных реакторах или в реакторах на быстрых нейтронах (МОКС-топливо).

Текст: Редкие земли

Ядерные цепные реакции

Ядерными реакциями называются реакции, при которых происходит изменение атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.

В 1934г. итальянский учёный Энрико Ферми со своими сотрудниками начал исследования по облучению элементов нейтронами, которые как нейтральные частицы беспрепятственно проникали в атомные ядра веществ, вызывая их расщепление.

Многим ученым данный эксперимент казался бессмысленным, потому что нейтронов было много меньше, чем альфа-частиц и протонов. Но результаты показали существенную эффективность данного расщепления, которая компенсировала слабость нейтронных источников по сравнению с источниками альфа-частиц и протонов.

В 1939 г. немецкими учеными Отто Ганном и Фрицем Штрассманом была открыта реакция деления урана при бомбардировке их нейтронами.

Рассмотрим механизм протекания данной реакции.

Поглотив лишний нейтрон, ядро возбуждается и деформируется, приобретая вытянутую форму.

В ядре действует два вида сил: электростатические силы отталкивания между протонами, стремящиеся разорвать ядро, и ядерные силы притяжения между всеми нуклонами (с лат. nucleus протон и нейтрон), благодаря которым ядро не распадается.

Но ядерные силы - короткодействующие, поэтому в вытянутом ядре они уже не могут удержать сильно удаленные друг от друга части ядра.

Под действием электростатических сил отталкивания ядро разрывается на две части, которые разлетаются в разные стороны с огромной скоростью и излучают при этом 2-3 нейтрона.

Получается, что часть внутренней энергии ядра переходит в кинетическую энергию разлетающихся осколков ядра и частиц.

При одновременном делении большого количества ядер урана внутренняя энергия окружающей среды и ее температура заметно возрастают. То есть реакция деления ядер урана идет с выделением энергии в окружающую среду.

При этом нельзя не отметить, что в ядрах атомов содержится колоссальное количество энергии. Так при полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделилось бы столько же энергии, сколько выделяется при сгорании 2,5 тонн нефти.

На рисунке показана схема цепной реакции, при которой общее число свободных нейтронов в куске урана лавинообразно увеличивается со временем. Резко возрастает число распадающихся ядер и энергия, выделяющаяся в единицу времени. Именно поэтому данная реакция носит взрывной характер.

В производстве электроэнергии используют цепные реакции, не носящие взрывного характера, в которых число свободных нейтронов не меняется с течением времени.

Это условие будет выполнено, если коэффициент размножения нейтронов k будет больше или равен единице.

Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов, образовавшихся при делении к числу поглощенных нейтронов.

Если k больше или равен 1, то число нейтронов увеличивается с течением времени или остается постоянным и цепная реакция идет. Но для проведения реакции в стационарных условиях, k должен быть равен строго 1. В противном случае мгновенно произойдет взрыв.

Если k строго меньше 1, то нейтронов больше поглощается, чем образуется. Из этого следует, что общее число нейтронов уменьшается, и цепная реакция не протекает.

Для осуществления подобных реакций используют такие факторы как: масса урана, отражающая оболочка, содержание примесей, замедлители нейтронов, ускорители элементарных частиц.

Масса урана

атомный ядро нейтрон реакция

Не каждый нейтрон, излученный при делении ядра, вызывает деление других ядер. Если масса куска урана слишком мала, то многие нейтроны вылетят за его пределы, не успев встретить на своем пути ядро, вызвать его деление для образования новых нейтронов, необходимых для продолжения реакции. В этом случае цепная реакция прекратится.

Чтобы реакция не прекращалась, нужно увеличить массу урана до определенного значения, называемого критическим.

Значит наименьшая масса урана, при которой возможно протекание цепной реакции, называется критической, при значении которой число нейтронов, появившихся при делении ядер, становится равным числу потерянных нейтронов (поглощенных ядрами без дальнейшего деления и вылетевших за пределы куска).

При таких параметрах общее число нейтронов остается постоянным, и реакция может идти длительное время, не прекращаясь и не приобретая взрывного характера.

Отражающая оболочка

Уменьшить потерю нейтронов (которые вылетают из урана, не прореагировав с ядрами) можно с помощью специальной отражающей оболочки. Для этого кусок урана помещают в оболочку, сделанную из вещества, хорошо отражающего нейтроны (например, из бериллия). Отражаясь от стенок оболочки, нейтроны возвращаются и вступают во взаимодействие с ядрами атомов урана.

Если уран содержит в себе избыток примесей других химических элементов, то они поглощают большую часть нейтронов и процесс не протекает.

Замедлители нейтронов

С наибольшей вероятностью протекают реакции под действием медленных нейтронов, а при делении ядра образуются быстрые нейтроны. Если быстрые нейтроны замедлить, то большая часть будет захвачена изотопами урана с дальнейшим делением ядер.

В качестве заместителей используются такие вещества, как графит, вода, тяжелая вода (за счет дейтерия, изотопа водорода) и т.д. Эти вещества только замедляют нейтроны, почти не поглощая их.

Ускорители элементарных частиц

Первые реакции расщепления осуществлялись при бомбардировке веществ альфа-частицами и протонами.

Ядерные реакции происходят, когда частицы или ядра попадают в сферу действия ядерных сил. Но т.к. одноименно заряженные частицы отталкиваются, то сближение положительно заряженных частиц с ядрами или ядер друг с другом требует сообщения частицам или ядрам большой кинетической энергии.

Данная энергия сообщается протонам и на ускорителях элементарных частиц.

Так в 1932г. на быстрых протонах удалось расщепить литий на две:

Подобные документы

Деление тяжелых ядер. Реакция деления ядра урана-235. Развитие цепной реакции деления ядер урана. Коэффициент размножения нейтронов. Способы уменьшения потери нейтронов. Управляемая ядерная реакция. Главные условия протекания термоядерной реакции.

презентация , добавлен 25.05.2014


Основы ядерной энергетики. Способы получения энергии. Способы организации реакции горения, цепные реакции. Взаимодействие нейтронов с ядерным веществом, реакция деления ядер. Жизненный цикл нейтронов.

курсовая работа , добавлен 09.04.2003


Сущность цепной ядерной реакции. Распределение энергии деления ядра урана между различными продуктами деления. Виды и химический состав ядерного топлива. Массовые числа протона и нейтрона. Механизм цепной реакции деления ядер под действием нейтронов.

реферат , добавлен 30.01.2012


Способы получения энергии. Способы организации реакции горения, цепные реакции. Общие сведения о ядерных реакциях взаимодействия нейтронов с ядрами. Реакция радиационного захвата и реакция рассеяния. Возможность цепной реакции. Жизненный цикл нейтронов.

курсовая работа , добавлен 09.04.2003


Характеристика методов наблюдения элементарных частиц. Понятие элементарных частиц, виды их взаимодействий. Состав атомных ядер и взаимодействие в них нуклонов. Определение, история открытия и виды радиоактивности. Простейшие и цепные ядерные реакции.

реферат , добавлен 12.12.2009


Свойства всех элементарных частиц. Связь протонов и нейтронов в атомных ядрах. Классификация элементарных частиц. Величина разности масс нейтрона и протона. Гравитационные взаимодействия нейтронов. Экспериментальное значение времени жизни мюона.

реферат , добавлен 20.12.2011


Энергия связи атомного ядра, необходимая для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны. Условия, необходимые для ядерной реакции. Классификация ядерных реакций. Определение коэффициента размножения нейтронов. Ядерное оружие, его поражающие свойства.

презентация , добавлен 29.11.2015


ООбщие характеристики и классификация нейтронов, механизмы их взаимодействия с веществом: упругое и неупругое рассеяние; ядерные реакции с образованием протона, альфа-частицы. Процесс замедления нейтронов, диффузное отражение; нейтронные волны в средах.

реферат , добавлен 08.03.2012


Изотопический спин, обменные силы, насыщение ядерных сил, мезоны и ядерные силы, класификация элементарных частиц. Приемлемые значения размеров зеркальных ядер. Опыты по рассеянию нейтронов протонами. Пространство изотопического спина.

курсовая работа , добавлен 16.03.2004


Краткая характеристика нуклонов. Масса и энергия связи ядра. Формы радиоактивного распада. Ядерные силы и модели атомного ядра. Основные формулы теории атомного ядра. Цепные реакции деления. Термоядерные и ядерные реакции. Химические свойства изобаров.

В 1934 г. Э. Ферми решил получить трансурановые элементы, облучая 238 U нейтронами. Идея Э. Ферми заключалась в том, что в результате β - -распада изотопа 239 U образуется химический элемент с порядковым номером Z = 93. Однако идентифицировать образование 93-его элемента не удавалось. Вместо этого в результате радиохимического анализа радиоактивных элементов, выполненного О.Ганом и Ф.Штрассманом, было показано, что одним из продуктов облучения урана нейтронами является барий (Z = 56) – химический элемент среднего атомного веса, в то время как согласно предположению теории Ферми должны были получаться трансурановые элементы.
Л. Мейтнер и О. Фриш высказали предположение, что в результате захвата нейтрона ядром урана происходит развал составного ядра на две части

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Процесс деления урана сопровождается появлением вторичных нейтронов (x > 1), способных вызвать деление других ядер урана, что открывает потенциальную возможность возникновения цепной реакции деления – один нейтрон может дать начало разветвленной цепи делений ядер урана. При этом число разделившихся ядер должно возрастать экспоненциально. Н. Бор и Дж. Уиллер рассчитали критическую энергию необходимую, чтобы ядро 236 U, образовавшееся в результате захвата нейтрона изотопом 235 U, разделилось. Эта величина равна 6,2 МэВ, что меньше энергии возбуждения изотопа 236 U, образующегося при захвате теплового нейтрона 235 U. Поэтому при захвате тепловых нейтронов возможна цепная реакция деления 235 U. Для наиболее распространенного изотопа 238 U критическая энергия равна 5,9 МэВ, в то время как при захвате теплового нейтрона энергия возбуждения образовавшегося ядра 239 U составляет только 5,2 МэВ. Поэтому цепная реакция деления наиболее распространенного в природе изотопа 238 U под действием тепловых нейтронов оказывается невозможной. В одном акте деления высвобождается энергия ≈ 200 МэВ (для сравнения в химических реакциях горения в одном акте реакции выделяется энергия ≈ 10 эВ). Возможности создания условий для цепной реакции деления открыли перспективы использования энергии цепной реакции для создания атомных реакторов и атомного оружия. Первый ядерный реактор был построен Э.Ферми в США в 1942 г. В СССР первый ядерный реактор был запущен под руководством И.Курчатова в 1946 г. В 1954 г. в г. Обнинске начала работать первая в мире атомная электро­станция. В настоящее время электрическая энергия вырабатывается примерно в 440 ядерных реакторах в 30 странах мира.
В 1940 г. Г.Флеров и К.Петржак открыли спонтанное деление урана. О сложности проведения эксперимента свидетельствуют следующие цифры. Парциальный период полураспада по отношению спонтанному делению изотопа 238 U составляет 10 16 –10 17 лет, в то время как период распада изотопа 238 U составляет 4.5∙10 9 лет. Основным каналом распада изотопа 238 U является α-распад. Для того, чтобы наблюдать спонтанное деление изотопа 238 U, нужно было регистрировать один акт деления на фоне 10 7 –10 8 актов α-распада.
Вероятность спонтанного деления в основном определяется проницаемостью барьера деления. Вероятность спонтанного деления увеличивается с увеличением заряда ядра, т.к. при этом увеличивается параметр деления Z 2 /A. В изотопах Z < 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z > 100 преобладает симметричное деление с образованием одинаковых по массе осколков. С увеличением заряда ядра доля спонтанного деления по сравнению с α-распадом увеличивается.

Изотоп	Период полураспада	Каналы распада
235 U	7.04·10 8 лет	α (100%), SF (7·10 -9 %)
238 U	4.47·10 9 лет	α (100%), SF (5.5·10 -5 %)
240 Pu	6.56·10 3 лет	α (100%), SF (5.7·10 -6 %)
242 Pu	3.75·10 5 лет	α (100%), SF (5.5·10 -4 %)
246 Cm	4.76·10 3 лет	α (99,97%), SF (0.03%)
252 Cf	2.64 лет	α (96,91%), SF (3.09%)
254 Cf	60.5 лет	α (0,31%), SF (99.69%)
256 Cf	12.3 лет	α (7.04·10 -8 %), SF (100%)

Деление ядер. История

1934 г. − Э. Ферми, облучая уран тепловыми нейтронами, обнаружил среди продуктов реакции радиоактивные ядра, природу которых установить не удалось.
Л. Сциллард выдвинул идею цепной ядерной реакции.

1939 г. − О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили среди продуктов реакций барий.
Л. Мейтнер и О. Фриш впервые объявили, что под действием нейтронов происходило деление урана на два сравнимых по массе осколка.
Н. Бор и Дж. Уилер дали количественную интерпретацию деления ядра, введя параметр деления.
Я. Френкель развил капельную теорию деления ядер медленными нейтронами.
Л. Сциллард, Э. Вигнер, Э. Ферми, Дж. Уилер, Ф. Жолио-Кюри, Я. Зельдович, Ю. Харитон обосновали возможность протекания в уране цепной ядерной реакции деления.

1940 г. − Г. Флеров и К. Петржак открыли явление спонтанного деления ядер урана U.

1942 г. − Э. Ферми осуществил управляемую цепную реакцию деления в первом атомного реакторе.

1945 г. − Первое испытание ядерного оружия (штат Невада, США). На японские города Хиросима (6 августа) и Нагасаки (9 августа) американскими войсками были сброшены атомные бомбы.

1946 г. − Под руководством И.В. Курчатова был пущен первый в Европе реактор.

1954 г. − Запущена первая в мире атомная электростанция (г. Обнинск, СССР).

Деление ядер. С 1934 г. Э.Ферми стал применять нейтроны для бомбардировки атомов. С тех пор количество устойчивых или радиоактивных ядер, полученных путем искусственного превращения, возросло до многих сотен, и почти все места периодической системы заполнились изотопами.
Атомы, возникающие во всех этих ядерных реак­циях, занимали в периодической системе то же место, что и бомбардированный атом, или соседние места. Поэтому произвело большую сенсацию доказательство Ганом и Штрассманом в 1938 г. того, что при обстреле нейтронами последнего элемента периодической системы − урана − происходит распад на элементы, которые стоят в средних частях периодической системы. Здесь выступают различные виды распада. Возникаю­щие атомы в большинстве своем неустойчивы и тотчас же распадаются дальше; у некоторых время полурас­пада измеряется секундами, так что Ган должен был применить аналитический метод Кюри для продления такого быстрого процесса. Важно отметить, что стоя­щие перед ураном элементы, протактиний и торий, также обнаруживают подобный распад под действием нейтронов, хотя для того, чтобы распад начался, требуется более высокая энергия нейтронов, чем в случае урана. Наряду с этим в 1940 г. Г. Н. Флеров и К. А. Петржак обнаружили спонтанное расщепление уранового ядра с самым большим из известных до тех пор периодом полураспада: около 2 ·10 15 лет; этот факт становится явным благодаря освобождающимся при этом нейтронам. Так явилась возможность понять, почему «естественная» периодическая система заканчивается тремя названными элементами. Теперь стали известны трансурановые элементы, но они настолько неустойчивы, что быстро распадаются.
Расщепление урана посредством нейтронов дает те­перь возможность того использования атомной энер­гии, которое уже многим мерещилось, как «мечта Жюля Верна».

М. Лауэ, «История физики»

1939 г. О. Ган и Ф. Штрассман, облучая соли урана тепловыми нейтронами, обнаружили среди продуктов реакции барий (Z = 56)

Отто Ганн (1879 – 1968)

Деление ядер – расщепление ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, которые называют осколками деления. При делении возникают и другие частицы – нейтроны, электроны, α-частицы. В результате деления высвобождается энергия ~200 МэВ. Деление может быть спонтанным либо вынужденным под действием других частиц, чаще всего нейтронов.
Характерной особенностью деления является то, что осколки деления, как правило, существенно различаются по массам, т. е. преобладает асимметричное деление. Так, в случае наиболее вероятного деления изотопа урана 236 U, отношение масс осколков равно 1.46. Тяжёлый осколок имеет при этом массовое число 139 (ксенон), а легкий – 95 (стронций). С учётом испускания двух мгновенных нейтронов рассматриваемая реакция деления имеет вид

Нобелевская премия по химии
1944 г. – О. Ган.
За открытие реакции деления ядер урана нейтронами.

Осколки деления

Зависимость средних масс легкой и тяжелой групп осколков от массы делящегося ядра.

Открытие деления ядер. 1939 г.

Я приехал в Швецию, где Лизе Мейтнер страдала от одиночества, и я, как преданный племянник, решил навестить ее на рождество. Она жила в маленьком отеле Кунгэльв около Гетеборга. Я застал ее за завтраком. Она обдумывала письмо, только что полученное ею от Гана. Я был весьма скептически настроен относительно содержания письма, в котором сообщалось об образовании бария при облучении урана нейтронами. Однако ее привлекла такая возможность. Мы гуляли по снегу, она пешком, я на лыжах (она сказала, что может проделать этот путь, не отстав от меня, и доказала это). К концу прогулки мы уже могли сформулировать некоторые выводы; ядро не раскалывалось, и от него не отлетали куски, а это был процесс, скорее напоминавший капельную модель ядра Бора; подобно капле ядро могло удлиняться и делиться. Затем я исследовал, каким образом электрический заряд нуклонов уменьшает поверхностное натяжение, которое, как мне удалось установить, падает до нуля при Z = 100 и, возможно, весьма мало для урана. Лизе Мейтнер занималась определением энергии, выделяющейся при каждом распаде из-за дефекта массы. Она очень ясно представляла себе кривую дефекта масс. Оказалось, что за счет электростатического отталкивания элементы деления приобрели бы энергию около 200 МэВ, а это как раз соответствовало энергии, связанной с дефектом массы. Поэтому процесс мог идти чисто классически без привлечения понятия прохождения через потенциальный барьер, которое, конечно, оказалось бы тут бесполезным.
Мы провели вместе два или три дня на рождество. Затем я вернулся в Копенгаген и едва успел сообщить Бору о нашей идее в тот самый момент, когда он уже садился на пароход, отправляющийся в США. Я помню, как он хлопнул себя по лбу, едва я начал говорить, и воскликнул: «О, какие мы были дураки! Мы должны были заметить это раньше». Но он не заметил, и никто не заметил.
Мы с Лизе Мейтнер написали статью. При этом мы постоянно поддерживали связь по междугородному телефону Копенгаген – Стокгольм.

О. Фриш, Воспоминания. УФН. 1968. Т. 96, вып.4, с. 697.

Спонтанное деление ядер

В описанных ниже опытах мы использовали метод, впервые предложенный Фришем для регистрации процессов деления ядер. Ионизационная камера с пластинами, покрытыми слоем окиси урана, соединяется с линейным усилителем, настроенным таким образом, что α частицы, вылетающие из урана, не регистрируются системой; импульсы же от осколков, намного превышающие по величине импульсы от α-частиц, отпирают выходной тиратрон и считаются механическим реле.
Была специально сконструирована ионизационная камера в виде многослойного плоского конденсатора с общей площадью 15 пластин в 1000 см. Пластины, расположенные друг от друга на расстоянии 3 мм, были покрыты слоем окиси урана 10-20 мг/см 2 .
В первых же опытах с настроенным для счета осколков усилителем удалось наблюдать самопроизвольные (в отсутствие источника нейтронов) импульсы на реле и осциллографе. Число этих импульсов было невелико (6 в 1 час), и вполне понятно поэтому, что это явление не могло наблю­даться с камерами обычного типа…
Мы склонны думать, что наблюдаемый нами эффект следует приписать осколкам, получающимся в результате спонтанного деления урана…

Спонтанное деление следует приписать одному из невозбужденных изотопов U с периодами полураспада, полученными из оценки наших результатов:

U 238 – 10 16 ~ 10 17 лет,
U 235 – 10 14 ~ 10 15 лет,
U 234 – 10 12 ~ 10 13 лет.

Распад изотопа 238 U

Спонтанное деление ядер

Периоды полураспада спонтанно делящихся изотопов Z = 92 - 100

Первая экспериментальная система с уран-графитовой решёткой была построена в 1941 г. под руководством Э. Ферми. Она представляла собой графитовый куб с ребром длиной 2,5 м, содержащий около 7 т окиси урана, заключенной в железные сосуды, которые были размещены в кубе на одинаковых расстояниях друг от друга. На дне уран-графитовой решётки был помещён RaBe источник нейтронов. Коэффициент размножения в такой системе был ≈ 0.7. Окись урана содержала от 2 до 5% примесей. Дальнейшие усилия были направлены на получение более чистых материалов и к маю 1942 г. была получены окись урана, в которой примесь составляла меньше 1%. Чтобы обеспечить цепную реакцию деления, было необходимо использовать большое количество графита и урана – порядка нескольких тонн. Примеси должны были составлять меньше нескольких миллионных долей. Реактор, собранный к концу 1942 г. Ферми в Чикагском университете, имел форму срезанного сверху неполного сфероида. Он содержал 40 т урана и 385 т графита. Вечером 2 декабря 1942 г. после того, как были убраны стержни нейтронного поглотителя, было обнаружено, что внутри реактора происходит цепная ядерная реакция. Измеренный коэффициент составлял 1.0006. Вначале реактор работал на уровне мощности 0.5 Вт. К 12 декабря его мощность была увеличена до 200 Вт. В дальнейшем реактор был перенесен в более безопасное место, и мощность его была повышена до нескольких кВт. При этом реактор потреблял 0.002 г урана-235 в день.

Первый ядерный реактор в СССР

Здание для первого в СССР исследовательского ядерного реактора Ф-1 было готово к июню 1946 г.
После того как были проведены все необходимые эксперименты, раз­работана система управления и защиты реактора, установлены размеры реактора, проведены все необходимые опыты с моделями реактора, определена плотность нейтронов на нескольких моделях, получены графитовые блоки (так называемой ядерной чистоты) и (после нейтронно-физической проверки) урановые блочки, в ноябре 1946 г. приступили к сооружению реактора Ф-1.
Общий радиус реактора был 3,8 м. Для него потребовалось 400 т графита и 45 т урана. Реактор собирали слоями и в 15 ч 25 декабря 1946 г. был собран последний, 62-й слой. После извлечения так называемых аварийных стержней был произведен подъем регулирующего стержня, начался отсчет плотности нейтронов, и в 18 ч 25 декабря 1946 г. ожил, заработал первый в СССР реактор. Это была волнующая победа ученых - создателей ядерного реактора и всего советского народа. А через полтора года, 10 июня 1948 г., промышленный реактор с водой в каналах достиг критического состояния и вскоре началось промышленное производство нового вида ядерного горючего − плутония.

Трудно сказать, какое имя дал бы немецкий ученый Мартин Генрих Клапрот открытому в 1789 году химическому элементу, если бы за несколько лет до этого не произошло событие, взволновавшее все круги общества: в 1781 году английский астроном Вильям Гершель, наблюдая с помощью самодельного телескопа звездное небо, обнаружил светящееся облачко, которое он поначалу принял за комету, но в дальнейшем убедился, что видит новую, неизвестную дотоле седьмую планету солнечной системы. В честь древнегреческого бога неба Гершель назвал ее Ураном. Находившийся под впечатлением этого события, Клапрот дал новорожденному элементу имя новой планеты.

Спустя примерно полвека, в 1841 году французский химик Эжен Мельхиор Пелиго сумел впервые получить металлический уран. Промышленный мир остался равнодушным к тяжелому, сравнительно мягкому металлу, каким оказался уран. Его механические и химические свойства не привлекли ни металлургов, ни машиностроителей. Лишь стеклодувы Богемии да саксонские мастера фарфоровых и фаянсовых дел охотно применяли оксид этого металла, чтобы придать бокалам красивый желто-зеленый цвет или украсить блюда затейливым бархатно-черным узором.

О "художественных способностях" урановых соединений знали еще древние римляне. При раскопках, проведенных близ Неаполя, удалось найти стеклянную мозаичную фреску удивительной красоты. Археологи были поражены: за два тысячелетия стекла почти не потускнели. Когда образцы стекол подвергли химическому анализу, оказалось, что в них присутствует оксид урана, которому мозаика и была обязана своим долголетием. Но если оксиды и соли урана занимались "общественно полезным трудом", то сам металл в чистом виде почти никого не интересовал.

Даже ученые, и те были лишь весьма поверхностно знакомы с этим элементом. Сведения о нем были скудны, а порой совершенно неправильны. Так, считалось, что его атомная масса равна приблизительно 120. Когда Д. И. Менделеев создавал свою Периодическую систему, эта величина путала ему все карты: уран по своим свойствам никак не хотел вписываться в ту клетку таблицы, которая была забронирована за элементом с этой атомной массой. И тогда ученый, вопреки мнению многих своих коллег, решил принять новое значение атомной массы урана - 240 и перенес элемент в конец таблицы. Жизнь подтвердила правоту великого химика: атомная масса урана равна 238,03.

Но гений Д. И. Менделеева проявился не только в этом. Еще в 1872 году, когда большинство ученых считало уран на фоне многих ценных элементов своего рода балластом, создатель Периодической системы сумел предвидеть его поистине блестящее будущее: "Между всеми известными химическими элементами уран выделяется тем, что обладает наивысшим атомным весом... Наивысшая, из известных, концентрация массы весомого вещества... существующая в уране... должна влечь за собою выдающиеся особенности...

Убежденный в том, что исследование урана, начиная с его природных источников, поведет еще ко многим новым открытиям, я смело рекомендую тем, кто ищет предметов для новых исследований, особо тщательно заниматься урановыми соединениями".

Предсказание великого ученого сбылось менее чем через четверть века: в 1896 году французский физик Антуан Анри Беккерель, проводя эксперименты с солями урана, совершил открытие, которое по праву относится к величайшим научным открытиям, когда-либо сделанным человеком. Вот как это произошло. Беккерель давно интересовался явлением фосфоресценции (т. е. свечения), присущей некоторым веществам. Однажды ученый решил воспользоваться для своих опытов одной из солей урана. На обернутую черной бумагой фотопластинку он поместил вырезанную из металла узорчатую фигуру, покрытую слоем урановой соли, и выставил ее на яркий солнечный свет, чтобы фосфоресценция была как можно более интенсивной. Через четыре часа Беккерель проявил пластинку и увидел на ней отчетливый силуэт металлической фигуры. Еще и еще раз повторил он свои опыты - результат был тот же. И вот 24 февраля 1896 года на заседании французской Академии наук ученый доложил, что исследованное им фосфоресцирующее соединение урана на свету испускает невидимые лучи, которые проходят через черную непрозрачную бумагу и восстанавливают соли серебра на фотопластинке.

Спустя два дня Беккерель решил продолжить эксперименты, но как на грех погода была пасмурной, а без солнца какая же фосфоресценция? Досадуя на непогоду, ученый спрятал уже приготовленные, но так и не подвергшиеся освещению диапозитивы вместе с образцами солей урана в ящик своего стола, где они пролежали несколько дней. Наконец, в ночь на 1 марта ветер очистил парижское небо от туч и солнечные лучи с утра засверкали над городом. Беккерель, с нетерпением ожидавший этого, поспешил в свою лабораторию и извлек из ящика стола диапозитивы, чтобы выставить их на солнце. Но, будучи очень педантичным экспериментатором, он в последний момент все же решил проявить диапозитивы, хотя логика, казалось бы, подсказывала, что за прошедшие дни с ними ничего не могло произойти: ведь они лежали в темном ящике, а без света не фосфоресцирует ни одно вещество. В этот миг ученый не подозревал, что через несколько часов обычным фотографическим пластинкам ценой в несколько франков, суждено стать бесценным научным сокровищем, а день 1 марта 1896 года навсегда войдет в историю мировой науки.

То, что Беккерель увидел на проявленных пластинках, буквально поразило его: черные силуэты образцов резко и четко обозначились на светочувствительном слое. Значит, фосфоресценция здесь ни при чем. Но тогда что же это за лучи испускает соль урана? Ученый снова и снова проделывает аналогичные опыты с другими соединениями урана, в том числе и с теми, которые не обладали способностью фосфоресцировать или годами лежали в темном месте, и каждый раз на пластинках появлялось изображение.

У Беккереля возникает пока еще не вполне ясная мысль, что уран представляет собой "первый пример металла, обнаруживающего свойство, подобное невидимой фосфоресценции".

В это же время французскому химику Анри Муассану удалось разработать способ получения чистого металлического урана. Беккерель попросил у Муассана немного уранового порошка и установил, что излучение чистого урана значительно интенсивнее, чем его соединений, причем это свойство урана оставалось неизменным при самых различных условиях опытов, в частности при сильном нагревании и при охлаждении до низких температур.

С публикацией новых данных Беккерель не спешил: он ждал, когда Муассан сообщит о своих весьма интересных исследованиях. К этому обязывала научная этика. И вот 23 ноября 1896 года на заседании Академии наук Муассан сделал доклад о работах по получению чистого урана, а Беккерель рассказал о новом свойстве, присущем этому элементу, которое заключалось в самопроизвольном превращении его атомов, сопровождающемся выделением лучистой энергии. Это свойство было названо радиоактивностью.

Открытие Беккереля ознаменовало собой начало новой эры в физике - эры превращения элементов. Отныне атом уже не мог считаться единым и неделимым - перед наукой открывался путь в глубины этого "кирпичика" материального мира.

Естественно, что теперь уран приковал к себе внимание ученых. Вместе с тем их интересовал и такой вопрос: только ли урану присуща радиоактивность? Быть может, в природе существуют и другие элементы, обладающие этим свойством?

Ответ на этот вопрос смогли дать выдающиеся физики супруги Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри. С помощью прибора, сконструированного мужем, Мария Кюри исследовала огромное количество металлов, минералов, солей. Работа велась в неимоверно тяжелых условиях. Лабораторией служил заброшенный деревянный сарай, который супруги подыскали в одном из парижских дворов. "Это был барак из досок, с асфальтовым полом и стеклянной крышей, плохо защищавшей от дождя, без всяких приспособлений, - вспоминала впоследствии М. Кюри. - В нем были только старые деревянные столы, чугунная печь, не дававшая достаточно тепла, и классная доска, которой так любил пользоваться Пьер. Там не было вытяжных шкафов для опытов с вредными газами, поэтому приходилось делать эти операции на дворе, когда позволяла погода, или же в помещении при открытых окнах". В дневнике П. Кюри есть запись о том, что порой работы проводились при температуре всего шесть градусов выше нуля.

Много проблем возникало и с получением нужных материалов. Урановая руда была очень дорогой, и купить на свои скромные средства достаточное количество ее супруги Кюри не могли. Они решили обратиться к австрийскому правительству с просьбой продать им по невысокой цене отходы этой руды, из которой в Австрии извлекали уран, используемый в виде солей для окрашивания стекла и фарфора. Ученых поддержала венская Академия наук, и несколько тонн отходов было доставлено в их парижскую лабораторию.

Мария Кюри работала с необыкновенным упорством. Изучение разнообразных материалов подтверждало правоту Беккереля, считавшего, что радиоактивность чистого урана больше, чем у любых его соединений. Об этом говорили результаты сотен опытов. Но Мария Кюри подвергала исследованиям все новые и новые вещества. И вдруг... Неожиданность! Два урановых минерала - хальколит и смоляная руда Богемии - гораздо активнее действовали на прибор, чем уран. Вывод напрашивался сам собой: в них содержится какой-то неизвестный элемент, характеризующийся еще более высокой способностью к радиоактивному распаду. В честь Польши - родины М. Кюри - супруги назвали его полонием.

Снова за работу, снова титанический труд - и еще победа: открыт элемент, в сотни раз превосходящий по радиоактивности уран. Этот элемент ученые назвали радием, что по-латыни означает "луч".

Открытие радия в какой-то мере отвлекло научную общественность от урана. В течение примерно сорока лет он не очень волновал умы ученых, да и инженерная мысль редко баловала его своим вниманием. В одном из томов технической энциклопедии, изданном в 1934 году, утверждалось: "Элементарный уран практического применения не имеет". Солидное издание не грешило против истины, но спустя всего несколько лет жизнь внесла существенные коррективы в представления о возможностях урана.

В начале 1939 года появились два научных сообщения. Первое, направленное во французскую Академию наук Фредериком Жолио-Кюри, было озаглавлено "Экспериментальное доказательство взрывного расщепления ядер урана и тория под действием нейтронов". Второе сообщение - его авторами были немецкие физики Отто Фриш и Лиза Мейтнер - опубликовал английский журнал "Природа"; оно называлось: "Распад урана под действием нейтронов: новый вид ядерной реакции". И там, и там речь шла о новом, доселе неизвестном явлении, происходящем с ядром самого тяжелого элемента - урана.

Еще за несколько лет до этого ураном всерьез заинтересовались "мальчуганы" - так дружелюбно называли группу молодых талантливых физиков, работавших под руководством Энрико Ферми в Римском университете. Увлечением этих ученых была нейтронная физика, таившая в себе много нового, неизведанного.

Было обнаружено, что при облучении нейтронами, как правило, ядра одного элемента превращаются в ядра другого, занимающего следующую клетку в Периодической системе. А если облучить нейтронами последний, 92-й элемент - уран? Тогда должен образоваться элемент, стоящий уже на 93-м месте - элемент, который не смогла создать даже природа!

Идея понравилась "мальчуганам". Еще бы, разве не заманчиво узнать, что собой представляет искусственный элемент, как он выглядит, как ведет себя? Итак - уран облучен. Но что произошло? В уране появился не один радиоактивный элемент, как ожидалось, а по меньшей мере десяток. Налицо была какая-то загадка в поведении урана. Энрико Ферми направляет сообщение об этом в один из научных журналов. Возможно, считает он, образовался 93-й элемент, однако точных доказательств этого нет. С другой стороны, есть доказательства, что в облученном уране присутствуют какие-то другие элементы. Какие же?

Попытку дать ответ на этот вопрос предприняла дочь Марии Кюри - Ирен Жолио-Кюри. Она повторила опыты Ферми и тщательно исследовала химический состав урана после облучения его нейтронами. Результат был более чем неожиданным: в уране появился элемент лантан, располагающийся примерно в середине таблицы Менделеева, т.е. очень далеко от урана.

Когда те же эксперименты проделали немецкие ученые Отто Ган и Фридрих Штрассман, они нашли в уране не только лантан, но и барий. Загадка за загадкой!

Ган и Штрассман сообщили о проведенных опытах своему другу известному физику Лизе Мейтнер. Теперь уже урановую проблему пытаются решить сразу несколько крупнейших ученых. И вот сначала Фредерик Жолио-Кюри, а спустя некоторое время Лиза Мейтнер приходят к одному и тому же выводу: при попадании нейтрона ядро урана как бы разваливается на части. Этим и объясняется неожиданное появление лантана и бария - элементов с атомной массой примерно вдвое меньшей, чем у урана.

Американского физика Луиса Альвареса, впоследствии лауреата Нобелевской премии это известие застало в одно январское утро 1939 года в кресле парикмахера. Он спокойно просматривал газету, как вдруг ему бросился в глаза скромный заголовок: "Атом урана разделен на две половины". Через мгновение к изумлению парикмахера и посетителей, ожидавших очереди, странный клиент выбежал из парикмахерской, наполовину подстриженный, с салфеткой, туго завязанной вокруг шеи и развевающейся на ветру. Не обращая внимания на удивленных прохожих, физик мчался в лабораторию Калифорнийского университета, где он работал, чтобы сообщить о потрясающей новости своим коллегам. Те поначалу были ошарашены весьма оригинальным видом размахивающего газетой Алвареса, но, когда услышали о сенсационном открытии, тотчас же забыли о его необычной прическе.

Да, это была подлинная сенсация в науке. Но Жолио-Кюри установил и другой важнейший факт: распад уранового ядра носит характер взрыва, при котором образующиеся осколки разлетаются в стороны с огромной скоростью. Пока удавалось расколоть лишь отдельные ядра, энергия осколков только нагревала кусок урана. Если же число делений будет велико, то при этом выделится огромное количество энергии.

Но где раздобыть такое количество нейтронов, чтобы одновременно бомбардировать ими большое число ядер урана? Ведь известные ученым источники нейтронов давали их во много миллиардов раз меньше, чем требовалось. На помощь пришла сама природа. Жолио-Кюри обнаружил, что при делении ядра урана из него вылетает несколько нейтронов. Попав в ядра соседних атомов, они должны привести к новому распаду - начнется так называемая цепная реакция. А поскольку эти процессы длятся миллионные доли секунды, сразу выделится колоссальная энергия - неизбежен взрыв. Казалось бы, все ясно. Но ведь куски урана уже не раз облучали нейтронами, а они при этом не взрывались, т.е. цепная реакция не возникала. Видимо, нужны еще какие-то условия. Какие же? На этот вопрос Фредерик Жолио-Кюри ответить пока не мог.

И все же ответ был найден. Нашли его в том же 1939 году молодые советские ученые Я.Б. Зельдович и Ю.Б. Харитон. В своих работах они установили, что есть два пути развития цепной ядерной реакции. Первый - увеличить размеры куска урана, так как при облучении маленького куска многие выделившиеся вновь нейтроны могут вылететь из него, не встретив на своем пути ни одного ядра. С ростом массы урана вероятность попадания нейтрона в цель, естественно, возрастает.

Есть и другой путь - обогащение урана изотопом 235. Дело в том, что природный уран имеет два основных изотопа, атомные массы которых равны 238 и 235. В ядре первого из них, на долю которого приходится в сотни раз больше атомов, имеется на три нейтрона больше. "Бедный" нейтронами уран-235 жадно их поглощает - гораздо сильней, чем его "зажиточный" брат, который при определенных условиях, поглотив нейтрон, не делится на части, а превращается в другой элемент. Это свойство изотопа ученые в дальнейшем использовали для получения искусственных трансурановых элементов. Для цепной же реакции равнодушие урана-238 к нейтронам оказывается губительным: процесс превращается, не успев набрать силу. Зато чем больше в уране "жадных" до нейтронов атомов изотопа 235, тем энергичнее пойдет реакция.

Но, чтобы начался процесс, нужен еще и первый нейтрон - та "спичка", которая должна вызвать атомный "пожар". Конечно, для этой цели можно воспользоваться обычными нейтронными источниками, которые ученые и ранее применяли в своих исследованиях, не очень удобно, но можно. А нет ли более подходящей "спички"?

Есть. Ее нашли другие советские ученые - К. А. Петржак и Г. Н. Флеров. Исследуя в 1939-1940 годах поведение урана, они пришли к выводу, что его ядра способны распадаться самопроизвольно. Это подтвердили результаты опытов, проведенных ими в одной из ленинградских лабораторий.

Но, может быть, уран распадался не сам, а, например, под действием космических лучей: ведь Земля непрерывно находится под их обстрелом. Значит, опыты нужно повторить глубоко под землей, куда не проникают эти космические гости. Посоветовавшись с крупнейшим советским ученым-атомником И.В. Курчатовым, молодые исследователи решили провести эксперименты на какой-нибудь станции Московского метрополитена. В Наркомате путей сообщения это не встретило препятствий, и вскоре в кабинет начальника станции метро "Динамо", находившейся на глубине 50 метров, на плечах научных работников была доставлена аппаратура, которая весила около трех тонн.

Как всегда, мимо проходили голубые поезда, тысячи пассажиров спускались и поднимались по эскалатору, и никто из них не предполагал, что где-то совсем рядом ведутся опыты, значение которых трудно переоценить. И вот, наконец, получены результаты, аналогичные тем, которые наблюдались в Ленинграде. Сомнения не было: ядрам урана присущ самопроизвольный распад. Чтобы заметить его, нужно было проявить незаурядное экспериментаторское мастерство: за час из каждых 60000000000000 атомов урана распадается лишь один. Поистине - капля в море!

К. А. Петржак и Г. Н. Флеров вписали заключительную страницу в ту часть биографии урана, которая предшествовала проведению первой в мире цепной реакции. Ее осуществил 2 декабря 1942 года Энрико Ферми.

В конце 30-х годов Ферми, как и многие другие крупные ученые, спасаясь от гитлеровской чумы, вынужден был эмигрировать в Америку. Здесь он намеревался продолжить свои важнейшие эксперименты. Но для этого требовалось немало денег. Нужно было убедить американское правительство в том, что опыты Ферми позволят получить мощное атомное оружие, которое можно будет использовать для борьбы с фашизмом. Эту миссию взял на себя ученый с мировым именем Альберт Эйнштейн. Он пишет письмо президенту США Франклину Рузвельту, которое начинается словами: "Сэр! Последняя работа Э. Ферми и Л. Сцилларда, с которой я ознакомился в рукописи, позволяет надеяться, что элемент уран в ближайшем будущем может быть превращен в новый важный источник энергии...". В письме ученый призывал правительство начать финансирование работ по исследованию урана. Учитывая огромный авторитет Эйнштейна и серьезность международной обстановки, Рузвельт дал свое согласие.

В конце 1941 года жители Чикаго могли заметить на территории одного из стадионов необычное оживление, которое не имело к спорту ни малейшего отношения. К воротам его то и дело подъезжали машины с грузом. Многочисленная охрана не разрешала посторонним даже приближаться к ограде стадиона. Здесь, на теннисных кортах, расположенных под западной трибуной, Энрико Ферми готовил свой опаснейший эксперимент - осуществление контролируемой цепной реакции деления ядер урана. Работы по сооружению первого в мире ядерного реактора велись днем и ночью в течение года.

Наступило утро 2 декабря 1942 года. Всю ночь ученые не смыкали глаз, снова и снова проверяя расчеты. Шутка ли сказать: стадион находится в самом центре многомиллионного города, и хотя расчеты убеждали в том, что реакция в атомном котле будет замедленной, т.е. не будет носить взрывного характера, рисковать жизнью сотен тысяч людей никто не имел права. День уже давно начался, пора было завтракать, но об этом все забыли - не терпелось как можно скорее приступить к штурму атома. Однако Ферми не торопится: надо дать уставшим людям отдохнуть, нужна разрядка, чтобы затем снова все тщательно взвесить и обдумать. Осторожность и еще раз осторожность. И вот, когда все ждали команду начать эксперимент, Ферми произнес свою знаменитую фразу, вошедшую в историю покорения атома, - всего два слова: "Идемте-ка завтракать!".

Завтрак позади, все вновь на своих местах - опыт начинается. Взгляды ученых прикованы к приборам. Томительны минуты ожидания. И, наконец, счетчики нейтронов защелкали, как пулеметы. Они словно захлебывались от огромного количества нейтронов, не успевая их считать! Цепная реакция началась! Это произошло в 15 часов 25 минут по чикагскому времени. Атомному огню позволили гореть 28 минут, а затем по команде Ферми цепная реакция была прекращена.

Один из участников эксперимента подошел к телефону и заранее условленной шифрованной фразой сообщил начальству: "Итальянский мореплаватель добрался до Нового Света!" Это означало, что выдающийся итальянский ученый Энрико Ферми освободил энергию атомного ядра и доказал, что человек может контролировать и использовать ее по своей воле.

Но воля воле рознь. В те годы, когда происходили описываемые события, цепная реакция рассматривалась прежде всего как этап на пути к созданию атомной бомбы. Именно в этом направлении и были продолжены в Америке работы ученых-атомников.

Обстановка в научных кругах, связанных с этими работами, была крайне напряженной. Но и здесь не обходилось без курьезов.

Осенью 1943 года было решено вывезти из оккупированной немцами Дании в Америку крупнейшего физика Нильса Бора, чтобы использовать его громадные знания и талант. Темной ночью" на рыбацком суденышке, тайно охраняемом английскими подводными лодками, ученый под видом рыбака был доставлен в Швецию, откуда его на самолете должны были переправить в Англию, а уж затем в США. Весь багаж Бора состоял из одной бутылки. Эту обычную зеленую бутылку из-под датского пива, в которой он тайком от немцев хранил бесценную тяжелую воду, физик берег как зеницу ока: по мнению многих ученых-атомников, именно тяжелая вода могла служить замедлителем нейтронов для ядерной реакции. Бор очень тяжело перенес утомительный полет и, как только пришел в себя, первым делом проверил, цела ли бутылка с тяжелой водой. И тут, к своему великому огорчению, ученый обнаружил, что стал жертвой собственной рассеянности: в его руках была бутылка с самым настоящим датским пивом, а сосуд с тяжелой водой остался дома в холодильнике.

Когда на гигантских заводах Ок-Риджа, расположенных в штате Теннесси, был получен первый небольшой кусочек урана-235, предназначенный для атомной бомбы, его отправили со специальным курьером в скрытый среди кантонов штата Нью-Мексико Лос-Аламос, где создавалось это смертоносное оружие. Курьеру, которому предстояло самому вести машину, не сказали, что находится в переданной ему коробочке, но он не раз слышал жуткие истории о таинственных "лучах смерти", рождаемых в Ок-Ридже. Чем дальше он ехал, тем большее волнение охватывало его. В конце концов он решил, при первом же подозрительном признаке в поведении коробочки, спрятанной позади его, бежать от машины что есть мочи. Проезжая по длинному мосту, шофер внезапно услышал сзади громкий выстрел. Словно катапультированный, он выскочил из автомобиля и побежал так быстро, как не бегал еще никогда в своей жизни. Но вот, пробежав изрядное расстояние, он остановился в изнеможении, убедился, что цел и невредим, и даже отважился оглянуться. А тем временем за его машиной уже вырос длинный хвост нетерпеливо сигналивших автомобилей. Пришлось возвращаться и продолжать путь. Но едва он сел за руль, как снова раздался громкий выстрел, и инстинкт самосохранения опять буквально выбросил беднягу из машины и заставил мчаться прочь от злополучной коробочки. Лишь после того, как разгневанный полисмен догнал его на мотоцикле и увидел правительственные документы, испуганный шофер узнал, что выстрелы доносились с соседнего полигона, где в это время испытывали новые артиллерийские снаряды.

Работы в Лос-Аламосе велись в обстановке строжайшей тайны. Все крупные ученые находились здесь под вымышленными именами. Так, Нильс Бор, например, был известен в Лос-Аламосе как Николас Бейкер, Энрико Ферми был Генри Фармером, Юджин Вигнер - Юджином Вагнером. Однажды, когда Ферми и Вигнер выезжали с территории одного секретного завода, их остановил часовой. Ферми предъявил свое удостоверение на имя Фармера, а Вигнер не смог найти своих документов. У часового был список тех, кому разрешалось входить на завод и выходить из него. "Ваша фамилия?" - спросил он. Рассеянный профессор сначала по привычке пробормотал "Вигнер", но тут же спохватился и поправился: "Вагнер". Это вызвало подозрение у часового. Вагнер был в списке, а Вигнер - нет. Он повернулся к Ферми, которого уже хорошо знал в лицо, и спросил: "Этого человека зовут Вагнер?". - "Его зовут Вагнер. Это так же верно, как и то, что я Фармер", - спрятав улыбку, торжественно заверил часового Ферми, и тот пропустил ученых.

Примерно в середине 1945 года работы по созданию атомной бомбы, на которые было израсходовано два миллиарда долларов, завершились, а 6 августа над японским городом Хиросимой возник гигантский огненный гриб, унесший десятки тысяч жизней. Эта дата стала черным днем в истории цивилизации. Величайшее достижение науки породило величайшую трагедию человечества. Перед учеными, перед всем миром встал вопрос: что же дальше? Продолжать совершенствовать ядерное оружие, создавать еще более ужасные средства уничтожения людей? Нет! Отныне колоссальная энергия, заключенная в ядрах атомов, должна служить человеку.

Первый шаг на этом пути сделали советские ученые под руководством академика И.В. Курчатова. 27 июня 1954 года московское радио передало сообщение исключительной важности: "В настоящее время в Советском Союзе усилиями советских ученых и инженеров успешно завершены работы по проектированию и строительству первой промышленной электростанции на атомной энергии полезной мощностью 5000 киловатт". Впервые по проводам шел ток, который нес энергию, рожденную в недрах атома урана. Пуск первой атомной электростанции положил начало развитию новой отрасли техники - ядерной энергетики. Уран стал мирным горючим XX века.

Прошло еще пять лет, и со стапелей советских судоверфей сошел первый в мире атомный ледокол "Ленин". Чтобы заставить работать его двигатели во всю мощь (44 тысячи лошадиных сил!), нужно было "сжечь" всего несколько десятков граммов урана. Небольшой кусок этого ядерного топлива способен заменить тысячи тонн мазута или каменного угля, которые вынуждены перевозить обычные теплоходы, совершающие, например, рейс Лондон - Нью-Йорк. А атомоход с запасом уранового топлива в несколько десятков килограммов может в течение трех лет сокрушать льды Арктики, не заходя в порт на "заправку". В 1974 году приступил к исполнению своих "обязанностей" еще более могучий атомный ледокол "Арктика": мощность его двигателей - 75 тысяч лошадиных сил! 17 августа 1977 года "Арктика", преодолев казавшийся несокрушимым ледовый панцирь Центрального полярного бассейна Северного Ледовитого океана, достигла Северного полюса. Осуществилась вековая мечта многих поколений моряков и полярных исследователей, и уран внес в решение этой проблемы свою лепту. У самого могучего атомного ледокола появились уже две "сестры" - "Сибирь" и "Россия".

С каждым годом доля ядерного горючего в мировом балансе энергоресурсов становится все ощутимее. Несколько лет назад в СССР начала действовать первая промышленная атомная электростанция с реактором на так называемых быстрых нейтронах. Важной особенностью таких реакторов является то, что в качестве ядерного горючего они могут использовать не дефицитный уран-235, а самый распространенный на земле изотоп этого элемента - уран-238. При этом в реакторе не только выделяется огромное количество энергии, но и образуется искусственный элемент полоний-239, который сам способен делиться, а значит, и быть источником ядерной энергии. "Получается как бы так, - писал И.В. Курчатов, - что сожжешь в топке уголь, а выгребешь вместе с золой еще больше угля".

Достоинства ядерного топлива несомненны. Вместе с тем использование его сопряжено со многими трудностями, из которых едва ли не важнейшая - уничтожение образующихся радиоактивных отходов. Спускать их в специальных контейнерах на дно морей и океанов? Зарывать их глубоко в землю? Вряд ли таким образом можно полностью решить проблему: ведь в конечном счете смертоносные вещества при этом остаются на нашей планете. А не попытаться ли отправить их куда-нибудь подальше - на другие небесные тела? Именно такую идею выдвинул один из американских ученых. Он предложил грузить отходы атомных электростанций на "товарные" космические корабли, следующие по маршруту Земля - Солнце. Разумеется, сегодня подобные "посылки" дороговато обошлись бы отправителям, но, по мнению некоторых оптимистически настроенных специалистов, через какой-нибудь десяток лет эти транспортные операции станут вполне оправданными.

В наше время уже не нужно обладать богатой фантазией, чтобы предсказать урану великое будущее. Уран завтра - это космические ракеты, устремленные в глубь Вселенной, и гигантские подводные города, обеспеченные энергией на десятки лет, это создание искусственных островов и обводнение пустынь, это проникновение к недрам Земли и преобразование климата нашей планеты.

Сказочные перспективы открывает перед человеком уран - один из удивительных металлов природы!