В 1896 году французский физик Анри Беккерель случайно открыл, что соединения урана испускают невидимые лучи, способные засветить фотографическую пластинку даже через светонепроницаемую бумагу. Это пустяковое, казалось бы, наблюдение привело к созданию атомной бомбы, XX век стал называться атомным, а сам Беккерель получил Нобелевскую премию по физике.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №6(22). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

После открытия Беккереля радиоактивность изучали ещё долго. В 1932 году английский физик Джеймс Чедвик открыл элементарную частицу — нейтрон, которая сыграла ключевую роль в атомной физике. В 1939 году датский физик Нильс Бор заявил, что радиоактивность урана — это результат деления его атомов на части при взаимодействии ядра атома урана с нейтроном.

Тогда это было лишь научными исследованиями, интересными только для учёных. Но уже в конце 1930‑х годов из научных журналов вдруг стали исчезать статьи о работах по радиоактивности, как будто физики, не сговариваясь, резко перестали заниматься этой темой. На самом деле работы попросту стали засекречивать. Всё дело в том, что физики к тому времени измерили энергию, которая выделяется при распаде атомов урана, и выяснили, что она огромна. Например, в атомной бомбе, сброшенной в 1945 году на японский город Хиросиму, распалось лишь около 700 граммов урана, а энергия взрыва составила от 10 до 15 тысяч тонн тротила. Получается, что урановая бомба в 15 млн раз мощнее тротиловой!

Но почему уран не взрывается сам по себе, без бомбы? В природе этот химический элемент существует в двух разновидностях, называются они изотопами — отличаются они только весом своих атомов. Масса атома очень мала (например, масса атома урана около 4×10–22 грамма), и измеряют её единицей, которую так и называют атомной массой. Одна атомная масса — примерно 1,66×10^–24 грамма.

Эти два изотопа урана отличаются только атомной массой: 235 и 238. В остальном изотопы совершенно идентичны, одинаково участвуют в химических реакциях, и поэтому отделить их друг от друга очень трудно. А отделять надо: взорвать (то есть вызвать деление атомов) может только изотоп урана-235. Но его в природном уране всего 0,7%, то есть в 1 кг урана всего 7 граммов урана-235, остальные 993 грамма — это «не делящийся» уран-238.

Вот такая бомба «Малыш» была сброшена на Хиросиму в 1945 г.

Деление атома урана-235 происходит только тогда, когда в ядро атома попадает нейтрон. Но при таком делении вместе с обломками ядра из него тоже «вылетают» от двух до трёх нейтронов, которые могут попасть в другие атомы. Последние при делении опять же выпустят нейтроны. Таким образом, начнётся цепная реакция и атомы начнут делиться всё сильнее и сильнее. Это и есть атомный взрыв.

Но из-за того, что делящегося урана-235 в природном уране мало, нейтроны при делении далеко не всегда попадают в атомы урана-235, и просто рассеиваются.

Конечно, атомное оружие чудовищно, но именно его огромная мощь сдерживает применение атомных бомб из-за опасения ответной бомбардировки. За всю историю существования атомного оружия (с 1945 года) оно применялось всего дважды — во время Второй мировой войны атомные бомбы были сброшены на японские города Хиросима и Нагасаки.

Учёные всегда хотели использовать огромную энергию деления урана в мирных целях — для выработки электроэнергии. И это удалось, благодаря созданию атомных электростанций (АЭС). Вот только взорвать уран гораздо проще, чем заставить его равномерно и постепенно отдавать свою энергию в реакторах атомных электростанций. Главная проблема — «следить» за нейтронами: если нейтронов будет вырабатываться слишком много, то может возникнуть цепная реакция и атомный реактор взорвётся. Если слишком мало — ядерная реакция деления просто затухнет, и выработка энергии прекратится.

Проблема создания атомных электростанций ещё и в том, что при делении атомов урана возникает очень высокая и смертельно опасная радиация — такое же излучение, как в рентгеновских кабинетах. Но в атомных реакторах это излучение настолько сильное, что может очень быстро убить человека, если он окажется рядом.

Правда, и это ещё не все трудности. После того, как загруженный в реактор уран «отработает» (отдаст всю энергию), нужно удалить из реактора продукты распада урановых атомов, а это чрезвычайно радиоактивные (а значит — опасные) отходы. Ну и, конечно, очень страшны аварии на атомных станциях (всего их в истории существования АЭС было больше десяти).

Но всё решаемо. Чтобы укротить атом, учёные придумали специальные поглотители нейтронов, чтобы защититься от радиации — реакторы помещают в защитную оболочку, а чтобы избежать ошибок персонала (именно по этой причине происходит большинство аварий на АЭС) — в станциях предусмотрены специальные системы защиты и автоматизированное управление.

Итог: сегодня АЭС вырабатывают около 13% всей электроэнергии в мире.

Учёные считают, что запасы нефти и газа на планете могут закончиться уже через 50–60 лет. Запасов урана хватит примерно на вдвое больший срок. Угля, как подсчитано, хватит лет на 400, но массовое и длительное его сжигание окончательно отравит атмосферу Земли. И эту проблему нужно решать уже сейчас.

В этом плане учёные возлагают надежды на термоядерные реакции. Ещё в начале прошлого века английский астрофизик Артур Эддингтон предположил, что в недрах звёзд происходят реакции термоядерного синтеза. В отличии от энергии деления атомов урана, в звёздах происходит слияние атомов водорода, в результате которого получаются атомы гелия. При этом выделяется огромное количество энергии, примерно в 100 раз больше, чем при делении атомов урана. Правда, для термоядерной реакции нужен не простой водород, а «тяжёлый» — этот изотоп водорода, вдвое больший по весу, чем обычный водород, называется ­дейтерий. Содержание природного дейтерия в водороде — около 0,015%, зато запасы его практически неисчерпаемы: атомы водорода входят в состав воды, которой на нашей планете — океаны. Как подсчитали учёные, из одного литра воды можно извлечь столько же энергии, сколько из двух бочек бензина.

Термоядерная реакция дейтерий-тритий. Источником энергии термоядерного взрыва являются процессы, аналогичные тем, которые протекают на солнце и других звездах. По одной из гипотез в недрах Солнца происходит слияние 4 ядер водорода в ядро гелия. При это выделяется колоссальное количество энергии.

Казалось бы, все условия, чтобы зажечь на Земле своё рукотворное солнце, у нас есть. Но это не так. Условия для термоядерной реакции слишком суровые: для неё, прежде всего, нужна огромная температура — десятки миллионов градусов. Эту проблему решили при помощи всё того же урана, но только в виде взрыва.

Первая рукотворная термоядерная реакция появилась в виде термоядерной бомбы, которую ещё называют водородной. Огромная температура, необходимая для реакции, в такой бомбе достигается за счёт того, что внутри неё взрывается урановая бомба, которая служит как бы «запалом» для водородной. Первые испытания этого грозного оружия произошли почти одновременно в США и в СССР в начале 1950‑х годов.

Примерно с этого же времени учёные бьются над управляемой термоядерной реакцией, которую можно было бы использовать как мирный источник энергии, но надёжно её «укротить» не удалось до сих пор — из-за огромной температуры, требующейся для термоядерной реакции. Проблема оказалась настолько сложной, что ни одна страна не способна её решить самостоятельно. Поэтому учёным разных стран пришлось объединить усилия. Россия, США, страны Евросоюза, Япония, Китай и Южная Корея совместно пытаются создать управляемый термоядерный синтез. По разным оценкам, экспериментальный термоядерный реактор удастся создать через 30–50 лет.

А вот когда будет построена первая термоядерная электростанция пока не знает никто. Зато уж если это произойдёт, то человечество сможет надолго забыть о том, что такое нехватка энергии.