Реферат: История развития атомной энергетики

Многое ученые, подвергшись го­нениям со стороны гитлеровского режима, были вынуждены эмигриро­вать из Германии и искать убежища во Франции, Англии, США и других странах. Это были годы настойчивых попыток овладеть ядерной энергией; сознавая перспективность этого но­вого источника энергии, ученые упор­но продвигались к цели. И успех был достигнут в конце декабря 1938 г.

На какой-то стадии в дискуссии по опытам Э. Ферми и И. Жолио-Кюри включились О. Ган, Л. Мейтнер и Ф. Штрассманн из Германии. У них был большой опыт в области радиохимии, и поэтому они посчита­ли необходимым разобраться в таком важном и сложном вопросе, как со­здание новых химических элемен­тов. Новые элементы Ферми напом­нили им об уране-2, открытом О. Гамом в 1923 г. и оказавшемся изотопом протактиния. Это исклю­чало протактиниевую гипотезу Гроссе.

Началась погоня за трансурано­выми элементами, которые, как было доказано впоследствии, не могли ими оказаться.

С большим трудом и постепенно Ган, Мейтнер и Штрассманн уточ­няли и расширяли представления о последствиях облучения урана и то­рия нейтронами. (В Германии, в Далемском институте, источники ней­тронов обладали слабой интенсив­ностью, и потому, следя за ходом опытов, Ган, Мейтнер и Штрассманн тратили много времени, сменяя друг друга каждые восемь часов.) Работа И. Кюри и Савича в Париже подтвердила, что при воздействии мед­ленных нейтронов на уран возникает не протактиний, а элемент, напоми­нающий лантан, т. е. элемент с по­рядковым номером, гораздо мень­шим номера урана. Но это утвержде­ние не было ими распространено в среде физиков.

Работы И. Кюри и Савича послу­жили поводом для Гана и Штрассманна (Л. Мейтнер вынуждена была покинуть Берлин в июле 1938 г.) еще раз исследовать химическую природу бета-излучателей» возникающих в уран-нейтронных реакциях. Они вы­явили, что в осадок выпал и барий. Развитие этих событий запечатлено в обширной переписке между тремя главными участниками – О. Ганом, Л. Мейтнер и О. Фришем (племянником Мейтнер). Эти частные пись­ма запечатлели историю открытия деления ядер урана медленными нейтронами. Вот одно из писем Гана в Стокгольм, Л. Мейтнер: «Вечер, понедельник, 19 декабря 1938г. Весь день я и неутомимый Штрассманн при поддержке ассистенток Либер и Боне работали с продуктами урана. Сейчас 11 часов вечера, в 12.00 вер­нется Штрассманн, и я смогу пойти домой...» После рассказа о ходе экс­перимента он пишет: «Через пару дней я вновь напишу тебе о результа­тах. Сердечный привет твоему Отто». Л. Мейтнер ответила 21 декабря: «Ваши результаты ошеломляют. Про­цесс, идущий на медленных нейтро­нах и приводящий к барию...»

21 декабря О. Ган пишет Л. Мей­тнер: «Активированный барий не превращается в излучающий лан­тан...»

22 декабря 1938 г. в редакцию журнала «Naturwissenschaft» поступи­ла работа О. Гана и Ф. Штрассманиа «О доказательстве существования и свойствах щелочноземельных метал­лов, возникающих при облучении урана нейтронами». В статье было написано об образовании ядер ба­рия.

Несколько позже Л. Мейтнер и О. Фриш показали, что ядра урана-235 делятся под действием медлен­ных нейтронов на два осколка. Они ввели термин «деление ядер».

Деление тяжелого ядра (урана) сопровождается выделением энергии осколков порядка 200 МэВ. В после­дующем было установлено, что при бомбардировке урана медленными нейтронами число нейтронов на один акт деления составляет 2,5. Для более тяжелых элементов число нейтронов несколько увеличивается, именно это обстоятельство позволяет осущест­влять цепную ядерную реакцию.

28 января 1939 г. в «Naturwissenschaft» была направлена вторая, бо­лее обстоятельная статья О. Гана и Ф. Штрассманна «Доказательство возникновения активных изотопов бария из урана и тория при облуче­нии их нейтронами». Сразу же после-публикации в январе 1939 г. статьи Гана и Штрассманна о делении ура­на в ряде лабораторий опыты с рас­щеплением ядер были повторены и дали подтверждение результатов ра­бот О. Гана и Ф. Штрассманна.

В Принстоне (США) Н. Бор и А. Уилер приступили к разработке теории деления ядра (как капли). В их статье была ссылка на работы Я. И. Френкеля (из ЛФТИ), который независимо от Бора и Уилера пос­троил теорию деления. Капельной моделью ядра занимался и извест­ный ленинградский физик-теоретик (эмигрировавший из СССР) Г. Гамов.

Ныне, когда прошло уже много лет с того времени, как был открыт процесс деления ядер атомов, можно с уверенностью сказать, что это было одно из тех редких открытий, кото­рое оказало значительное влияние на жизнь всего человечества. Качественно процесс деления был объяснен учеными сразу трех стран: Бором (Дания), Уилером (США) и Френкелем (СССР). Деление ядер происходит при определенном соот­ношении кудоновских сил отталки­вания, которые стремятся разорвать тяжелое ядро (урана), и сил поверх­ностного натяжения, которые это­му препятствуют. Основной величи­ной в этой модели являлся так назы­ваемый порог деления, который, как предполагалось, определялся только этими противоборствующими сила­ми.

В советских научных центрах, и прежде всего связанных с ядерной физикой, интерес к радиохимичес­ким исследованиям ядра атома вспых­нул с новой силой после сообщений об открытии деления ядер урана в Германии в начале 1939 г. Уже первая информация о теории процесса поз­воляла сделать фантастические вы­воды: новая форма ядерной реакции высвобождает огромное количество энергии.

Внеочередное заседание так на­зываемого «ядерного семинара», регулярно проводимого в ЛФТИ И. В. Курчатовым, привлекло внима­ние не только сотрудников Физтеха, но и ученых из других организаций, в том числе из Института химичес­кой физики: Н. Н. Семенова, Ю. Б. Харитона, Я. Б. Зельдовича и др.

На семинаре было высказано пред­положение, что при бомбардиров­ке урана нейтронами возникают не только крупные осколки, но и сво­бодные нейтроны. Ю. Б. Харитон и Я. Б. Зельдович развили мысль, что свободные нейтроны могут быть захвачены соседними урановыми ядрами и реакция станет нарастать лавиной, т.е. по принципу цеп­ной реакции, а это взрыв! В том же 1939 г. Ю. Б. Харитон и Я. Б. Зельдович показали возможность осу­ществления цепной реакции деле­ния ядер урана-235.

Впечатляющие исследования, свя­занные с проблемой атома, проводи­лись в РИАН. РИАН ставил задачей изучение явлений природной и ис­кусственной радиоактивности. Запу­щенный в те далекие годы первый в СССР и Европе циклотрон на энергию 4 МэВ позволил получить ре­зультаты по взаимодействию ней­тронов почти со всеми элементами периодической системы. С помощью циклотрона были сформированы нейтронные пучки высокой интен­сивности. Среди продуктов деления В. Хлопиным, М. Пасвик и Н. Во­лковым весной 1939 г. были обна­ружены радиоактивные изотопы брома, теллура и сурьмы.

И. В. Курчатов, работая над про­блемой ядра атома, отлично созна­вал, что сооружаемый в РИАН цик­лотрон является идеальной установ­кой для получения интенсивных по­токов нейтронов. Вложив много тру­да и изобретательности, Курчатов ускорил ввод этой установки и вмес­те с Мысовским, создателем циклот­рона, получил много интересных результатов. Но И. В. Курчатов хоро­шо понимал, что нужен циклотрон на еще большие энергии, и получил согласие на сооружение к 1 января 1942 г. циклотрона на 12 МэВ в специально построенном для него новом здании ЛФТИ. Однако его запуску помешала война, и он был введен в эксплуатацию уже после войны, в 1949 г.

В ЛФТИ были получены сообще­ния, что сотрудник Калифорнийско­го университета У. Либби пытался наблюдать вылет вторичных ней­тронов в процессе спонтанного деления ядер урана, но потерпел неуда­чу. Чувствительность его метода была такой, что он мог бы обнару­жить спонтанное деление, если бы период полураспада не превосходил 1014 лет. Поручив решить эту задачу своим ученикам Г. Н. Флерову и К. А. Петржаку, Курчатов возглавил работу в целом. После длительных и упорных исследований он понял, что надо избавиться от окружающего фона путем защиты эксперименталь­ной установки, камеры, толстым сло­ем вещества. Самое простое, что при­шло ему в голову, – это погрузиться с аппаратурой на подводной лодке в глубины моря. Но оказалось, что вблизи Ленинграда Балтийское море мелкое – 20-30 м. Такого слоя во­ды было явно недостаточно для эф­фективной защиты от проникающе­го космического излучения. Тогда Курчатов договорился с руководст­вом Московского метрополитена о том, чтобы ему разрешили провести этот эксперимент на одной из глубокозаложенных шахт станции мет­ро. Получив согласие, Курчатов от­командировал своих сотрудников Г. Н. Флерова и К. А. Петржака в Москву.

Аппаратуру они разместили на станции метро «Динамо». По ночам, когда движение поездов метро пре­кращалось, на глубине 60 м Флеров и Петржак проводили свои измерения. Эффект получился постоянный, без помех. Через месяц работы Курчатов пришел к заключению, что вся сово­купность экспериментальных данных служит бесспорным доказательством существования нового вида радиоактивности – спонтанного, самопро­извольного деления урана. Курчатов потребовал, чтобы Флеров и Петржак подготовили сообщение об этом открытии для опубликования в печа­ти. Короткое сообщение А. Ф. Иоф­фе направил по трансатлантическо­му кабелю – каблограммой – в аме­риканский журнал «Physical Review», и в июне 1940 г. она была опублико­вана.

По мнению Флерова и Петржака, под этим сообщением должна была стоять также и подпись Курчатова, но он отказался его подписывать, так как, по его выражению, не хотел «затенять» своих учеников.

Дни и месяцы предвоенного 1940 г. неуклонно вели ученых к высвобождению внутриядерной энергии, скрытой в недрах атомов. Приближе­ние этого волнующего события чув­ствовал каждый, кто стремился уско­рить его осуществление.

В печати, не только научной, все чаще появлялись сообщения о ско­ром появлении нового, невиданного никогда ранее источника энергии. 26 июня 1940 г. в газете «Известия» сообщалось в одной из статей: «В последнее время советскими и зарубежными физиками установлено, что деление ядер урана происходит толь­ко под действием медленных нейтро­нов. Это дает возможность регулиро­вать процесс деления атомов урана и тем самым использовать огромное количество внутриатомной энергии.

По приблизительным подсчетам одна весовая единица урана может дать в два с лишним миллиона раз больше энергии, чем такое же коли­чество угля. Уран, таким образом, становится драгоценным источником энергии...» А через полгода, 31 декабря 1940г., в той же газете «Известия» в статье «Уран-235» говорилось о новом ис­точнике энергии, в миллионы раз превосходящем все до того сущест­вовавшие. В этой статье рассказыва­лось: «При бомбардировке нейтро­нами ядер металла урана происходит необыкновенное явление: из каждо­го разбитого ядра вылетают новые нейтроны. Они попадают, в свою очередь, в ядра урана, расщепляют их и вновь рождают нейтроны. Про­цесс идет как лавина. Он идет сам... Тот уран... это разновидность урана, один из его изотопов. Секрет заклю­чается в том, что он почти ничем не отличается от вообще урана...

Выделить уран-235 из урана вооб­ще – вот цель, вот задача.

Физика стоит перед открытиями, значение которых неизмеримо».

Приведенные краткие выдержки из газетных статей и высказывания советских ученых подтверждают, что овладение ядерной энергией, ее высвобождение из недр атомов стано­вилось реальным уже к середине 1941 г. Но все упиралось в отсутствие отечественного урана и в необходи­мость огромных материальных за­трат для создания мощной, очень крупной и специализированной ядер­ной индустрии.

В конце 1940 г. И. В. Курчатов представил в Урановую комиссию доклад, в котором указывал на хозяй­ственное и военное значение про­блемы получения ядерной энергии при делении урана.

То, как оживленно в среде ученых проходили обсуждения проблем ядер­ной физики, хорошо показывает про­ведение регулярных конференций по ядерной физике, по атомному ядру с участием ведущих иностранных уче­ных. Первая такая конференция про­шла в сентябре 1933 г., вторая – в сентябре 1936 г., третья – в октябре 1938 г., четвертая – в 1939 г. и пятая была намечена на октябрь 1941 г., но помешала война.

Советские ученые были близки к освоению ядерной энергии, но война и первые месяцы пора­жений надолго остановили работы, связанные с освоением ядерной энер­гии в СССР. Практически все работы этого направления были заморожены, так как все силы наших физических, химических и других институтов были нацелены на нужды войны. Все силы народа были брошены на фронт, «все для фронта, все для победы».

Тем временем, в США, Англии и Германии работы, связанные с освоением ядерной энергии развивались в полную силу. Этому способствовала, как основная причина, ее военная привлекательность. Перспектива раньше всех создать оружие, устрашающее  своей разрушительной мощью, побуждала правительства этих стран финансировать разработки в сфере ядерной физики.

Результатом этих усилий явился первый исследовательский атомный реактор, пущенный 2 декабря 1942 года в Соединенных Штатах под руководством итальянского ученого Энрико Ферми. Дальнейшие разработки в этом направлении привели к беспримерной по своей разрушительной силе атомной бомбардировке японских городов Хиросима и Нагасаки, ознаменовавшей начало ядерной эры.

Испытания, связанные с расщеплением атомного ядра, в Советском Союзе возобновились лишь в середине 1943 года, но уже в декабре 1946 г. в Москве на территории Инсти­тута атомной энергии (носящего сейчас имя его основателя И. В. Курча­това) был введен в действие первый в Европе и Азии исследовательский ядерный реактор. В августе 1949 г. было проведено испытание атомной бомбы, а в августе 1953 г. — водородной. Советские ученые овладели тай­нами ядерной энергии, лишив США монополии на ядерное оружие.

Но создавая ядерное оружие, советские специалисты думали и об использовании ядерной энергии в интересах народного хозяйства, промышлен­ности, науки, медицины и других областей человеческой деятельности. В декабре 1946 г. в СССР был пущен первый в Европе ядерный реактор. В июне 1954 г. вошла в строй первая в мире атомная электростанция в подмосковном городе Обнинске. В 1959 г. спущен на воду первый в мире атомный ледокол «Ленин». Таким образом, ядерная физика создала научную основу атомной тех­нике, а атомная техника в свою очередь явилась фундаментом ядерной энергетики, которая, опираясь на ядерную науку и технику, стала в на­стоящее время развитой отраслью электроэнергетического производства.

Уже в 1986 г. выработка электроэнергии на АЭС мира достигала 15% от общего количества энергии, производимой всеми электростанциями, а в ряде стран ее доля составила 30% (Швеция, Швейцария), 50% (Бельгия) и даже 65-70% (Франция). Достаточно успешно атомная энергетика развивалась и на территории бывшего Советского Союза: строились АЭС, наращивалась минерально-сырьевая урановая база.

Происшедшая в 1986 г. Чернобыльская авария помимо колоссального общего ущерба людям, народному хозяйству страны нанесла тяжелый удар по ядерной энергетике в целом и прежде всего по развивающейся в бывшем СССР, где стало формироваться общественное мнение о необходимости полного запрещения строительства новых и ликвидации действующих АЭС. Однако всесторонний анализ перспектив развития мировой энергетики однозначно показал, что реальных альтернатив у других видов энергии по отношению к атомной энергетике в обозримом будущем, по существу, нет – при обязательном условии, что проектирование и строительство АЭС осуществляется с многократным запасом прочности, с обеспечением их полной безопасности. Именно по такому пути развивается в настоящее время атомная энергетика в высокоразвитых странах – во Франции, Бельгии, в сейсмоактивной Японии, США и других. Уже в 1990 г. мощность АЭС во всем мире достигла около 327 млн кВт и возрастает, по данным МАГАТЭ, к 2005 г. до 447 млн кВт.

Итак, к концу XX века человечество в полной мере освоило использование запасов энергии атомных ядер урана-235. Этого вида топлива, сжигаемого в атомных котлах, не так уж много в земной коре. Если всю энергетику земного шара перевести на него, то при современных темпах роста потребления энергии урана, хватит лишь на 50–60 лет.

Безусловно существует возможность использования, в целях получения энергии, природного газа, угля и нефти. Но такой путь развития энергетики неприемлем. Причин множество: это и экологическая проблема – заражение окружающей среды токсичными химическими продуктами сгорания органического топлива, создание парникового эффекта, и постоянной возрастающей ценой на органическое топливо. В случае с нефтью и газом, можно сказать, что их использование в качестве источника энергии по меньшей мере неразумно.

Здесь возникает проблема: из какого материала и какими методами, в будущем человечество должно получать энергию? На сегодня существует несколько основных концепций решения проблемы:

1.   Расширение сети станций на урановом топливе.

2.   Переход к использованию в качестве ядерного топлива тория-232, который в природе более распространен, нежели уран.

3.   Переход к атомным реакторам на быстрых нейтронах, воспроизводящих ядерное топливо, которое могло бы обеспечить воспроизводство ядерного топлива более, чем на 3000 лет, в настоящее время является сложной инженерной проблемой и несет в себе огромную экологическую опасность, в связи с чем испытывает серьезное противодействие со стороны мировой экологической общественности, по причине чего имеет низкую перспективу на внедрение

4.   Освоение термоядерных реакций. В термоядерных реакциях происходит выделение энергии в процессе превращения водорода в гелий. Быстро протекающие термоядерные реакции осуществляются в водородных бомбах. Сейчас перед наукой стоит задача осуществления термоядерной реакции не в виде взрыва, а в форме управляемого, спокойно протекающего процесса. Решение этой задачи даст возможность использовать громадные запасы водорода на Земле в качестве ядерного топлива.

В настоящее время наиболее разумным представляется следующая схема развития энергетики: расширение сети урановых и уран-ториевых атомных станций в период решения проблемы управления термоядерной реакцией.

1.     В. Н. Михайлов, «Создание первой советской ядерной бомбы», Москва, ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1995

2.     А. М. Петросянц, «Ядерная энергетика»,

3.     В. Г. Язиков, Н. Н. Петров, «Урановые месторождения Казахстана», Алматы, «Гылым», 1995