Под знаком кванта. - Леонид Иванович Пономарёв

см, замедлиться до тепловых скоростей и вызвать новое деление ядра урана. Число нейтронов в реакторе нарастает лавинообразно и через несколько секунд достигает уровня, который заранее задан расположением регулирующих стержней поглотителей. В каждом кубическом сантиметре объема мощного реактора содержится примерно пол миллиарда нейтронов, которые всегда «находятся в пути» от одного ядра урана к другому. В целом же внутри корпуса реактора устанавливается некоторое стационарное распределение нейтронов, так называемое нейтронное поле довольно сложной конфигурации, которое отчасти можно уподобить распределению электрического поля в электролитических ваннах. Им можно управлять, иногда оно испытывает колебания и всегда является предметом пристального внимания физиков и повседневных забот инженеров.

В целом, несмотря на сложность физических процессов, происходящих в «атомном котле», его принципиальная схема оказалась проста до чрезвычайности. «Урановый реактор олицетворяет собой самое гениальное и замечательное достижение разума за всю историю человечества»,— писал Фредерик Содди в конце жизни, через 50 лет после начала своих опытов с ураном и торием.

ВОКРУГ КВАНТА

Спонтанное деление урана

В феврале 1939 г. статьи Гана и Штрассмана, Мейтнер и Фриша почти одновременно дошли до Ленинграда. Как и повсюду, в лаборатории И. В. Курчатова немедленно начались эксперименты. Вскоре там тоже наблюдали осколки ядер урана, и уже в апреле Георгий Николаевич Флеров и Лев Ильич Русинов измерили число вторичных нейтронов деления ν = 3±1, а в мае 1940 г. Флеров и Константин Антонович Петржак натолкнулись на новое, неожиданное явление природы — спонтанное деление ядер урана. Оказалось, что даже в отсутствие нейтронов, без внешнего воздействия, ядра урана самопроизвольно взрываются. Это происходит очень редко: период полураспада по каналу деления равен 1016 лет, то есть в миллион раз больше, чем время существования Вселенной, и в два миллиарда раз больше, чем период α-распада урана. В среднем за час из 3∙1021 ядер, содержащихся в 1 г урана, распадается всего 23 ядра. Это очень мало, но именно такие сигналы природы свидетельствуют о самых важных деталях ее устройства.

Естественный ядерный реактор Окло

7 июня 1972 г. при стандартном масс-спектрометрическом анализе урана, поступившего на обогатительный завод во Франции, было обнаружено, что содержание урана-235 в исходном сырье составляет 0,717 % вместо 0,720 %, обычного для всех земных пород, образцов лунного грунта и метеоритов. Поиски источника аномалии привели на рудник вблизи селения Окло в Габоне (Западная Африка). Концентрация двуокиси урана UO2 в месторождении Окло в среднем не превышала 0,5 % (что довольно обычно), но иногда в нем встречались линзы толщиной около метра и протяженностью 10—20 м с концентрацией UO2 до 20—40 %. Именно в этих линзах содержание изотопа урана-235 оказалось значительно меньше обычного (0,72 %) и достигало значения 0,62 %, а иногда 0,44 %.

Некоторое время ученые пребывали в замешательстве: до сих пор не было известно случая, чтобы изотопный состав какого-либо элемента зависел от взятого для анализа образца. Тщательное изучение геологии месторождения показало, что оно расположено в дельте древней реки, в толще осадочных пород, образовавшихся около 1,8 млрд. лет назад, в раннюю протерозойскую эру. В то время сутки были в полтора раза короче нынешних, Европа покоилась на дне океана, вместо Азии было несколько материков, а жизнь только-только зарождалась: в морях уже обитали сине-зеленые бактерии, но пройдет еще около миллиарда лет, прежде чем они освоят процесс фотосинтеза.

Но самое существенное для феномена Окло заключалось в том, что концентрация урана-235 в естественной смеси изотопов урана составляла в то время около 3 %, то есть примерно столько же, сколько в современных водо-водяных ядерных реакторах (напомним, что период полураспада урана-238 равен 4,5 млрд. лет, в то время как урана-235 — только 0,7 млрд. лет). Поэтому каждый раз, когда в линзу урановой руды (размеры которой также сравнимы с объемом активной зоны современных реакторов) попадала вода, в ней начиналась ядерная реакция деления, которая продолжалась до тех пор, пока выделившееся тепло не испаряло воду, и естественный ядерный реактор, лишенный замедлителя, прекращал работу; после остывания линзы и заполнения ее водой реакция начиналась снова. По оценкам реактор Окло работал в таком режиме более полумиллиона лет, хотя средняя мощность его при этом не превышала 25 кВт.

Феномен Окло — замечательный пример явления природы, которое, будучи у всех на виду, тем не менее, подобно электромагнитным волнам, может веками оставаться незамеченным до тех пор, пока не будут изобретены теоретические понятия, необходимые для его адекватного объяснения. Вряд ли имеет смысл подробно пояснять, что без таких понятий, как «атом», «ядро», «нейтрон», «изотопы», «радиоактивность», «период полураспада», «деление», «сечение реакций» и т. д., глубокий смысл отличия двух чисел 0,717 и 0,720 % всего лишь в третьем знаке после запятой попросту никому бы не был понятен, не говоря уж о том, что без современного масс-спектрографа такое различие в содержании изотопа урана-235 вообще нельзя обнаружить.

Кроме того, существование естественного ядерного реактора в далеком прошлом самым убедительным образом доказывает возможность безопасной эксплуатации всех ядерных реакторов настоящего. И, наконец, больная проблема ядерной энергетики — проблема захоронения радиоактивных отходов — выглядит теперь не столь безнадежно: оказалось, что вся «ядерная зола» осталась на том же месте, где она и возникла около 2 млрд. лет назад при горении «ядерного огня».

ГЛАВА 17

Идея прогресса, как символ веры в неограниченное нравственнее и умственное совершенствование природы человека, оформилась в V веке, в трудах блаженного Августина. Эта столь привычная теперь идея в корне отличается от античных представлений о смене веков — от золотого до железного — и еще более древних учений о круговороте периодов расцвета и упадка человечества. В XVII веке идея прогресса обрела философское и научное основание, а в следующем веке, дополненная верой в поступательное социальное развитие, получила всеобщее признание.

Движущей идеей прогресса стала наука. «Scientia est роtentia» — «Знание — сила» — эти крылатые слова Фрэнсиса Бэкона повторяют уже четыре столетия, хотя теперь уже и без былой гордости: в наше время они приобрели устрашающую наглядность. Та же наука, которая в продолжение трех веков питала и утверждала идею прогресса, теперь довольно точно определяет его пределы. Она бесстрастно свидетельствует, что через 50—100 лет на Земле иссякнут запасы нефти и газа, а еще через 300—500 лет — запасы угля; что при нынешних темпах загрязнения наша