Сокровищница XXI века: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Другая задача — разработка плутониевых стержней, способных длительное время выдерживать мощные потоки нейтронов, тепла и гамма-лучей, не меняя своих геометрических размеров и прочностных характеристик.

Лишь после решения этих проблем начнется промышленное освоение реакторов с расширенным воспроизводством горючего.

Однако не только на быстрых реакторах возможно расширенное воспроизводство. Мы уже упоминали, что после облучения нейтронами природный торий становится искусственным изотопом уран-233. В цепной реакции на тепловых нейтронах уран-233 дает больше дополнительных нейтронов, чем уран-235 или плутоний, но меньше, чем плутоний в быстром реакторе. В специально сконструированном тепловом атомном котле, загруженном ураном-233 и торием, на каждый килограмм распавшегося в нейтронном потоке урана-233 можно получить 1,1 килограмма этого же изотопа. В наше время такие реакторы отодвинуты на второй план в основном потому, что в плутониевом цикле: плутоний осколки деления + нейтроны нейтроны + уран-238 — > плутоний, коэффициент воспроизводства больше, чем в уран-ториевом цикле: уран-233 осколки + нейтроны торий + нейтроны уран-233.

В первом цикле на грамм выгоревшего образуется 1,7 грамма нового плутония, а в уран-ториевом цикле на 1 грамм урана-233 возникает только 1,1 грамма ядерного горючего. Высокий коэффициент воспроизводства играет большую роль, но в конечном итоге важны экономические факторы — стоимость производимой энергии и возможность быстрого наращивания энергетических мощностей.

Кроме коэффициента воспроизводства, приходится учитывать и оборачиваемость ядерного горючего. Так, скажем, если уран-233 в тепловом реакторе будет сгорать в 10 раз быстрее, чем плутоний в реакторе на быстрых нейтронах, то за один и тот же период уран-ториевый реактор даст прибавку горючего, равную его первоначальной загрузке (100 %), а уран-плутониевый только 70 %.

Почему такое предпочтение уран-ториевому циклу? Есть для этого веские основания. Уран-ториевый цикл протекает в тепловом реакторе, где горючее распределено вместе с замедлителем в большом объеме. В тепловую активную зону сравнительно просто ввести много охладителя и с каждого грамма урана-233 снять огромное количество тепла — гораздо большее, чем с грамма плутония, заложенного в компактную и трудную для охлаждения зону быстрого реактора.

Поэтому сейчас некоторые ученые считают, что списывать со счета уран-ториевый цикл еще рано. Быть может, развитие ядерной энергетики заставит нас изменить взгляды на соотношение сил в конкурентной борьбе «быстрых» и «медленных» реакторов.

Этап тепловых реакторов — естественная и неизбежная ступень в ядерной энергетике. Первоначальные запасы плутония, необходимые для пуска быстрых реакторов-размножителей, можно было накопить лишь в тепловых реакторах на естественном уране. Тепловой этап уже пройден. Плутония получено достаточно для загрузки многих реакторов-размножителей. Так, по опубликованным данным, в США ежегодно производится около 10 тонн плутония в год.

Волнует еще очень важная проблема — безопасность мощных ядерных установок. Системы автоматического регулирования должны быть такими, чтобы полностью исключалась возможность самопроизвольного разгона реактора в любых условиях. Должны быть предусмотрены даже землетрясения! Ведь если после сильного сейсмического толчка разрушится корпус реактора, выйдет из строя система регулирования мощности и начнется неуправляемый разгон, то нетрудно представить себе последствия — спекшиеся от высокой температуры стержни с ураном, выход в атмосферу радиоактивности, выпадение ее на поселки и города.

Инженеры принимают меры, исключающие полностью такие нежелательные сюрпризы. Реактор строят так, чтобы при любом повреждении любого существенного узла цепной процесс сам по себе останавливался.

Возникает и проблема удаления ядер-осколков, накапливающихся во время работы ядерных установок. Осколки — мощный источник ядерных излучений. Радиоактивность килограмма осколков превосходит мощность излучений 100 тысяч тонн богатой урановой руды! На первый взгляд цифра устрашающая. И все же ученые и инженеры нашли безопасные способы химической переработки ядерного горючего, способы надежного хранения радиоактивных отходов. Постоянно совершенствуются методы химического разделения продуктов ядерных процессов на отдельные элементы. Тем самым расширяется область применений радиоактивных отходов. Иногда встречаются высказывания, что использование излучений осколков деления может быть не менее эффективным для народного хозяйства, чем и сама ядерная энергетика. Конечно, такие мысли не более чем крайность. Но нет дыма без огня. Несомненно, значение радиоактивных излучений осколочного происхождения со временем будет расти.

Дешевая энергия и пресная вода, добытые в изобилии, станут одним из важнейших факторов, обеспечивающих развитие коммунистического общества. С корабельных верфей сойдут быстроходные суда, способные совершать несколько кругосветных путешествий, не заправляясь горючим. С космодромов возьмут старт сверхмощные межпланетные ракеты. Их двигатели будут заряжены плутонием, накопленным в реакторах-размножителях, калорийность которого в миллионы раз превосходит химическую энергию лучшего обычного топлива. Ученые надеются, что в начале XXI века космические путешествия на Марс будут совершаться на кораблях, движимых энергией ядерного реактора. На ядерной энергии НННИи сможет работать система жизнеобеспечения космонавтов. Реакторы снабдят теплом, светом первые поселения людей на Луне и, возможно, на других планетах.

УГЛЕРОДНАЯ ПАМЯТЬ

Синтез элементов происходит не только в отдаленных галактиках, в звездах и центре Солнца. В атмосфере самой Земли рождаются необычные атомы.

Атмосферу непрерывно бомбардируют потоки космических протонов — ядер водорода, летящих со скоростью, близкой к скорости света. Уже в верхних слоях атмосферы протоны сталкиваются с ядрами азота и кислорода. При таких столкновениях сложные ядра азота и кислорода разрушаются и рождаются свободные нейтроны. Нейтроны, в свою очередь, взаимодействуют с веществом атмосферы и, конечно, чаще всего с ее основной составной частью — азотом. Иногда быстрый нейтрон выбивает из ядра азота протон и занимает его место. Происходит ядерное превращение: атом азота становится углеродным атомом. Только не обычным, а радиоактивным. В таком атоме на целых два нейтрона больше, чем в атоме самого распространенного изотопа углерод-12. Исторически радиоуглеродом принято называть углерод-14, хотя сегодня наберется десяток искусственных радиоактивных изотопов элемента № 6. Углерод-14 испускает ядерные электроны и со временем переходит в азот. За 5700 лет половина атомов радиоуглерода становится азотом.

Синтез радиоуглерода в основном протекает на высоте около пятнадцати километров. Во всей земной атмосфере за год образуется примерно семь килограммов радиоуглерода. Вспомним популярную задачу о сосуде с двумя отверстиями. В одно втекает, скажем, 7 килограммов воды в год, а в другое, проделанное в дне, вода вытекает. Вначале утечка мала, но с подъемом уровня воды повышается давление на днище сосуда и скорость утечки увеличивается. Наконец, когда в бассейне набирается 60 тонн воды, утечка становится равной притоку. Вода в бассейне остается на одном уровне. Шестьдесят тонн — равновесное количество.

То же самое происходит и с радиоуглеродом. Чтобы приток из атмосферы уравновешивался распадом, нужно 60 тонн углерода. Тогда в год будет распадаться 7 килограммов углерода. Столько же и накапливается в потоке космических частиц. В воздухе углерод окисляется и переходит в углекислый газ.

Двуокись углерода — одно из основных веществ, необходимых для возникновения живого организма. На каждый биллион молекул двуокиси углерода, содержащихся в воздухе, приходится одна, в состав которой входит радиоактивный углерод. Радиоактивные молекулы усваиваются растениями, животными, человеком. Таким образом, углерод всего живого в определенной степени радиоактивен. Каждую секунду в грамме «живого» углерода африканского слона или белого медведя происходит примерно 15 распадов углеродных атомов. Число распадов не зависит от географических координат. Взятый в Европе или Азии, на Антильских островах или в Карелии кусок живой ткани будет одинаково радиоактивым. Опыт показывает, что концентрация радиоактивного углерода одинакова во всем живом, населяющем нашу планету, хотя, на первый взгляд, белый медведь должен быть радиоактивнее слона — радиоуглерод образуется в полярных областях, прилегающих к магнитным полюсам. Попав в околоземное пространство, положительно заряженный космический протон движется вдоль силовых магнитных линий земного магнитного поля. Точнее, по винтовой линии, ось которой— силовая линия. Благодаря этому протоны попадают в атмосферу в области магнитных полюсов, где силовые линии «вонзаются» в земную поверхность. Там и возникают нейтронные потоки, протекают ядерные реакции, рождаются ядра не только углерода-14, но и трития — тяжелого радиоактивного водорода, бериллия с необычным числом нейтронов. Равномерное распределение радиоуглерода обеспечивает сама атмосфера: воздушный океан полностью перемешивается за пять, максимум десять лет — время, значительно меньшее потребного на установление радиоактивного равновесия углерода-14 в атмосфере.

Ученые в начале пятидесятых годов обратили внимание на два существенных обстоятельства: во-первых, организмы непрерывно усваивают из воздуха или с пищей двуокись углерода. Во-вторых, как только живой организм погибает, углеродный обмен с атмосферой, прямой или косвенный, прекращается. Таким образом, в тканях мертвых растений, в костях животных распавшийся радиоуглерод не пополняется и его концентрация становится все меньше и меньше. Следовательно, концентрация радиоуглерода связана со временем, прошедшим с момента гибели организма.

Писаная история человечества насчитывает несколько тысяч лет. Радиоуглеродные часы с заводом на тысячелетия как раз подходят для того, чтобы сложить отдельные фрагменты человеческой культуры в правильной последовательности.

Скорость распада углерода-14 вычисляют, измеряя время обычными часами. Допустим, в 100 году предмет содержал 200 граммов радиоуглерода, а 5700 лет спустя, в 6700 году, в нем осталось половина — 100 граммов. Тогда говорят, что период полураспада углерода-14 равен 5700 лет.

На деле, конечно, период полураспада изотопа измеряют сразу. «Сразу» — означает несколько часов, иногда суток. Физику достаточно знать, сколько атомов изотопа X распадается за секунду, чтобы по простым формулам рассчитать период полураспада.

Период полураспада радиоуглерода одного порядка со временем существования человеческой культуры. Если бы углерод-14 распадался наполовину, допустим за 100 лет, то в деревянных изделиях Древней Греции не осталось бы никаких следов углеродной активности. Столетний изотоп пригодился бы для измерения возраста предметов не старше 1000 лет. С другой стороны, очень большой период полураспада, например миллион лет, означал бы, что в предметах тысячелетней давности число радиоактивных атомов практически не изменилось. Возраст египетских деревянных предметов определить бы не удалось. Таким образом, углерод-14 как будто бы нарочно создан для датировки человеческой истории. Особенную роль радиоуглеродный способ сыграл при изучении культуры Американского континента, где не было оставлено никаких письменных памятников, если не считать записей индейцев майя.

В середине сороковых годов американские ученые обнаружили пещеру, в которой оказался целый склад доисторической обуви: триста пар плетеных сандалий. В то время казалось, что дату их изготовления определить не удастся, хотя это и было очень важным для изучения истории человека на Американском континенте.

Прошло несколько лет — и доисторическая обувь попала в лабораторию физиков. По числу распадов углерода они установили возраст находки — он оказался равным 9000 лет.

Измерение числа распадов радиоуглерода — дело кропотливое. Процесс измерения начинается с того, что углерод, выделенный из изучаемого объекта, переводят в углекислый газ. Газом заполняют счетчик электронов, по своей конструкции ни в чем не отличающийся от первых счетчиков ядерных частиц, сконструированных Резерфордом и Гейгером. При распаде каждого атома радиоуглерода вылетает электрон, который и будет зарегистрирован счетчиком. К сожалению, приборы реагируют не только на распад атомов углерода-14. Чувствительный счетчик, если его оставить открытым на лабораторном столе, буквально захлебнется от потока частиц, не имеющих ничего общего с распадом атомов радиоуглерода. Счетчик атакуют космические пришельцы: мезоны, гамма-лучи, быстрые протоны. На их фоне невозможно заметить редкие импульсы радиоуглеродов. Поэтому счетчик окружают толстым — до полуметра — слоем железа. Но и в самом железе содержатся примеси радиоактивных атомов. Хотя этих атомов в железе немного, их излучение уменьшает точность измерений, особенно когда изучают предметы старше 10 тысяч лет. Приходится дополнительно защищать счетчик. На него надевают цилиндр, заполненный тщательно очищенной ртутью. Такая двойная шуба укрывает счетчик практически от всех излучений, за исключением мезонов. Мезоны слабо поглощаются веществом и проникают через любую защиту. Чтобы избавиться от мезонного фона, счетчик окружают вспомогательными счетчиками Гейгера. Мезон не может попасть в главный счетчик, минуя один из вспомогательных. Электронная аппаратура при прохождении мезона через главный счетчик одновременно регистрирует два импульса: импульс главного и одного из вспомогательных счетчиков. По этому признаку и исключают мезонный фон. Двойные импульсы не учитываются. Благодаря таким мерам удается определить возраст предметов, пролежавших в недрах Земли или на дне океана до 50 000 лет. Если из предмета можно извлечь большие количества углерода (для этого он должен быть достаточно велик) и на специальных установках по разделению изотопов выделенный углерод обогатить изотопом углерод-14, то возможности метода расширяются до 70 000 лет.

Во всех предыдущих рассуждениях подразумевалось, что концентрация радиоуглерода всегда (точнее— за отрезок времени, в котором применим радиоуглеродный метод) оставалась в атмосфере постоянной. Если бы по каким-то причинам скорость образования радиоуглерода в другие времена менялась, то и концентрация изотопа углерод-14 была бы переменной. Допустим, 10 тысяч лет назад в атмосфере было меньше радиоуглерода, чем в наши дни. Тогда в древних растениях первичная концентрация радиоуглерода была бы меньше, чем в современных. Число распадов на грамм углерода десятитысячелетних находок окажется меньше ожидаемого, измеренный возраст будет завышен.

Изменения притока углерода-14 в атмосферу пропорциональны колебаниям интенсивности космических лучей, падающих на Землю.

Какие же причины влияют на поток космических частиц? Энергичные протоны и другие составляющие космического излучения приходят к нам из далеких областей, находящихся вне Солнечной системы. Они отклоняются от Земли магнитным полем Солнца. Чем больше пятен на поверхности нашего светила, тем мощнее плазменные гейзеры, вырывающиеся из его недр, тем сильнее токи и магнитные поля, опоясывающие Солнце, тем большая доля протонов уходит в сторону от нашей планеты. В атмосфере количество радиоуглеродов начинает уменьшаться. Приходится вносить поправки.