Розділ «3.7 Проблеми енергетики (ядерні і термоядерні реактори)»

3.7.1. Поділ ядер урану

3.7.2 Ядерні реактори

2 грудня 1942 року о 15 годині 25 хвилин за місцевим часом на тенісному корті під трибунами стадіону в Чикаго Енріко Фермі вперше в історії людства здійснив керовану ядерну реакцію в "атомному казані". Перший ядерний реактор являв собою сплющений еліпсоїд діаметром 8 метрів і висотою 6 метрів, складений з 385 тонн графітових брикетів, між якими на відстані 21 см один від одного було розміщено 46 тонн уранових блоків вагою 2 кг кожний, тобто реактор був схожий на кристал з кубічною решіткою. Потужність цього реактора — 40 Вт — була меншою від потужності палаючого сірника, і після 28 хвилин роботи ядерну реакцію в ньому було зупинено. Це був початок атомної ери: відтепер шляху назад, у доатомную еру, не було.

Роботи з використання енергії поділу урану, що проводилися в США (6 грудня 1941 року уряд США прийняв рішення про початок робіт із проблеми атомної бомби), були строго засекречені. У Радянському Союзі звернули увагу, що у всіх іноземних журналах припинилися публікації з ядерної фізики, що означало засекреченість цілої галузі науки. Нічим іншим не можна було пояснити зникнення цих публікацій. Причому вони зникли як з німецьких наукових журналів, так і з англійських та американських, тобто схоже було на те, що в цих країнах розвиваються секретні роботи. Прізвища вчених, які займаються ядерними проблемами, не з'являлися, вони просто зникли із журналів. Із цього приводу було багато міркувань, і всі прийшли до висновку, що в США, Англії і Німеччині розпочато роботи зі створення ядерної зброї. Причому США й Англія тримали в секреті свої роботи навіть від СРСР — союзника по антигітлерівській коаліції..

11 лютого 1943 року уряд СРСР прийняв рішення про організацію робіт з уранового проекту. Керівником робіт було затверджено Ігоря Васильовича Курчатова — одного із провідних спеціалістів в галузі ядерної фізики і, що не менш важливо, людину, яка мала видатні організаторські здібності й величезну особисту привабливість.

Для про ведення робіт було організовано Лабораторію № 2 АН СРСР (нині — Інститут атомної енергії ім. І. В. Курчатова). Основним і першочерговим завданням Лабораторії № 2 було проведення досліджень, які дозволили б здійснити ланцюг гову реакцію поділу урану. Грандіозну програму створення реактора і здійснення керованої ланцюгової реакції можна було виконати, розробивши детальну теорію реактора й експериментально перевіривши її, а також одержавши сотні тонн графіту високого ступеня чистоти й десятків тонн дуже чистого урану. Такий графіт і уран у Радянському Союзі ніколи раніш не вироблялися. Але війна й необхід-і ність якнайшвидшого створення атомної зброї спресували час. До 1946 року було створено принципово нові виробництва надчистих уранових і графітових блоків, і 25 грудня 1946 року о 19 годині І. В. Курчатов за участі чотирьох співробітників запустив перший радянський урановий реактор Ф-1.

Створення реактора Ф-1 стало найбільшим досягненням радянської науки й техніки, першим етапом генерального розвитку й вирішення атомної проблеми. Це був величезний подвиг учених, інженерів, робітників, які створили перший реактор, а також працівників уранової і графітової промисловості. Отримані на реакторі невеликі кількості плутонію дозволили вивчити його хімічні властивості й розробити технологію вилучення плутонію з опроміненого урану. (10 червня 1948 року в СРСР було введено в дію промисловий ядерний реактор з виробництва плутонію, а 29 серпня 1949 року було випробувано першу радянську атомну бомбу з плутонію-239, чим було покладено край монополії США на ядерну зброю). Слід також зазначити, що експериментальні можливості першого радянського реактора Ф-1 були значно ширші, ніж в американського (повна потужність реактора Ф-1 досягала 4000 кВт, а американського не перевищувала 200 Вт).

15 грудня 1948 року неподалік від Парижа під керівництвом Ірен і Фредеріка Жоліо-Кюрі було введено в дію французький атомний реактор.

Перша у світі атомна електростанція потужністю 5000 кВт почала працювати 27 червня 1954 року в м. Обнінську під Москвою.

Із тих пір пройшло не так багато часу, але вже зараз понад 400 ядерних реакторів у 26 країнах світу виробляють більш як 300 мільйонів кіловатт електроенергії — близько 16 % всієї електроенергії на Землі, тобто більше, ніж усі гідростанції світу. У Франції АЕС виробляють понад 80 % електроенергії, в Україні — понад 50 %.

Історія оволодіння атомною енергією унікальна в багатьох відношеннях: за вагомістю проблеми, обставинами, що супроводжували її вирішення, і наслідками, які усвідомили ще далеко не всі. У науці так траплялося й раніше, що два дослідники незалежно один від одного відкривали те саме явище. Сам по собі цей факт не є дуже дивним, якщо ми віримо в об'єктивність законів природи. Але вперше трапилося так, що сотні й тисячі людей, розділені океанами, пожежею війни і стіною таємності, послідовно, крок за кроком прямували до однакових висновків, ставили й вирішували ті самі наукові, технологічні й інженерні задачі і приблизно в тій же послідовності. Тільки в 1955 році, після 15 років практично повної ізоляції, учені із 79 країн зібралися в Женеві на Першу міжнародну конференцію з мирного використання атомної енергії і змогли переконатися, що їхні незалежні вимірювання й формули збіглися з великою точністю. Начебто Книга Природи відкрилася перед усіма одночасно, а вони лише записали її письмена.

Усі фізичні процеси, що відбуваються всередині ядерного реактора, ми знаємо тепер досить детально. Щоб почалася ланцюгова реакція, фактично досить одного нейтрона. У товщі урану вони завжди є: щосекунди в 1 кг урану спонтанно відбувається поділ 7 ядер, і нейтрони, які вилітають при цьому, можуть бути "сірником", що підпалює "уранове багаття". Нейтрони, що вилетіли, перш ніж дати початок новому поколінню нейтронів, живуть у реакторі менш як тисячну частку секунди. За цей час вони встигають зазнати 114 зіткнень з ядрами вуглецю, пройти шлях, довжина якого 54 см, сповільнитися до теплових швидкостей і спричинити новий поділ ядра урану. Кількість нейтронів у реакторі наростає лавиноподібно й через кілька секунд досягає рівня, який заздалегідь задано розташуванням стрижнів-поглиначів нейтронів. У кожному кубічному сантиметрі об'єму могутнього реактора міститься приблизно півмільярда нейтронів, які завжди "перебувають у дорозі" від одного ядра урану до іншого. У цілому ж усередині корпуса реактора встановлюється деякий стаціонарний розподіл нейтронів, так зване "нейтронне поле", яке має досить складну конфігурацію. Ним можна керувати, іноді воно коливається. Це поле завжди є предметом пильної уваги фізиків і повсякденних турбот інженерів.

У цілому, незважаючи на складність фізичних процесів, що відбуваються в "атомному казані", його принципова схема виявилася надзвичайно простою. "Урановий реактор уособлює найгеніальніше й найдивовижніше досягнення науки за всю історію людства", — писав Фредерік Содді наприкінці життя, через 50 років після початку своїх дослідів з ураном.

3.7.3 Світові енергетичні ресурси та необхідність вирішення проблеми керованого термоядерного синтезу

Пошуки людиною нових джерел енергії для задоволення своїх потреб сягають корінням витоків цивілізації на Землі. Протягом останнього часу щонайменше кілька міжнародних конфліктів були спричинені боротьбою за оволодіння територіями, багатими на енергетичні ресурси. Безплідні простори ніколи не були об'єктом завоювання та експлуатації. Будемо сподіватися, що ядерні процеси синтезу й поділу зможуть, нарешті, повністю вирішити проблему забезпечення енергією всього людства.

Ми наближаємося тепер до сутності питання про важливість вирішення проблеми керованого синтезу легких ядер. Саме керованого, а не спонтанного, як це відбувається в результаті страхітливого за потужністю вибуху водневої бомби. Чому, незважаючи на відсутність вирішального успіху, їй, продовжують приділяти таку велику увагу у всіх передових промислово розвинутих країнах?

На перший погляд, відповідь на диво проста: вирішивши цю проблему, людство одержить необмежене щодо потужності, дешеве джерело енергії, яке буде однаковою мірою доступним для всіх націй. Несподівана простота відповіді в поєднанні з деякою домішкою пафосу (йдеться і про долю людства, і про безмежні можливості!) може викликати скепсис, та й актуальність сучасних досліджень у цій галузі здається сумнівною. Адже ще далеко не вичерпані запаси вугілля й нафти, ще не витрачені ресурси гідроенергії, майже не використовується сонячна енергія, ми лише почали експлуатувати ядерне пальне — уранові й торієві руди.

З позицій даного моменту все це, звичайно, вірно в рамках статичного, незмінного світу. Але ми живемо в умовах світу динамічного, який стрімко змінюється. Щоб завтра перед людством не постала загроза енергетичного голоду, основи енергетики майбутнього повинні закладатися вже сьогодні. Тут не повинно залишатися навіть тіні сумніву або двозначності, тому пояснимо наведену думку. Простежимо, насамперед, як змінювалася кількість населення Землі. Зрозуміло, точність оцінок, що стосуються далекого минулого, є недостатньою, але це не змінює загальної картини: знадобилося кілька сотень тисяч років, щоб людство до 1830 року розмножилося до одного мільярда, за наступні сто років додався другий мільярд, і тільки тридцять років знадобилося для появи на Землі ще одного мільярда людей. У даний час річний приріст становить приблизно 2 %, тобто близько 140 мільйонів чоловік.

Добре відомо, що найбільше значення для стрімкого зростання кількості населення мав прогрес медицини (зниження дитячої смертності, відкриття антибіотиків). Перед майбутніми поколіннями незабаром постануть складні проблеми розселення людей і регулювання чисельності людства. Але незалежно від цього люди повинні їсти, одягатися, мати захист від холоду, не кажучи вже про задоволення Духовних потреб, які невпинно зростають. Утім, не у віддаленому майбутньому, а вже у наш час проблема голоду — одна із найдошкульніших. Напівголодне існування від колиски до смертної години — доля четвертої частини людства. Якщо врахувати темпи приросту населення, то навіть радикальне вирішення соціальних проблем не усуває необхідності створення синтетичної їжі (завдання біологів) і забезпечення установок білкового синтезу енергетикою (завдання фізиків).