Оглавление Видео опыты по химии Видео опыты по физике На главную страницу

Химия и Химики № 1 2020

Журнал Химиков-Энтузиастов
Помощь журналуПомощь журналу Химия и Химики




Плутоний, оправдавший название
Plutonium


В.И. Кузнецов


Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter


(№1 2010)
Плещут воды Флегетона,
Своды Тартара дрожат.
Кони бледного Плутона
Быстро к нимфам Пелиона
Из аида бога мчат.
А.С. Пушкин. Прозерпина


Плутон, как следует из стихов, появлялся на поверхности земной тверди и в древние времена, как ни удерживала его ревнивая Прозерпина: нимфы влекли... Ныне он вновь объявился из "Тартара", обернувшись серебристо-белыми шариками и цилиндриками (зарядами сверхбомб), твэлами быстрых (то есть на быстрых нейтронах) реакторов - так физики-ядерщики зашифровывают в своем жаргоне тепловыделяющие элементы.

Вряд ли хотя бы один из них дался человечеству столь дорого, как плутоний,- и в прямом, и в переносном смысле. И вряд ли в наше паранормальное время кого-нибудь удивит странное, почти мистическое соответствие между названием этого элемента и тем значением, какое приобрел он в судьбах современного мира. Но для начала вернемся на полвека назад.

ХИМИЧЕСКАЯ АСТРОНОМИЯ
Летом 1940 года американцы Эдвин М. Макмиллан и Филип X. Эйбельсон открыли первый из элементов, выходящих за привычные границы Периодической системы,- трансурановый элемент № 1, а в таблице он занял клеточку с цифрой 93.

За планетой Уран в солнечной системе следует Нептун. Вот первооткрыватели и сохранили такую же последовательность и в таблице элементов - за ураном появился элемент нептуний.

Несколькими месяцами позднее, 14 декабря того же 1940 года, Д. В. Кеннеди, А. К. Валь, Э. М. Макмиллан и Г. Т. Сиборг бомбардировали ускоренными на циклотроне дейтеронами уран. В результате опыта был зарегистрирован, а затем и опознан неизвестный прежде альфа-излучатель с периодом полураспада около 90 лет. Им оказался изотоп элемента № 94 с массовым числом 238. Решив не нарушать астрономическую параллель, открытый элемент назвали плутонием в честь самой дальней от Солнца планеты. Кстати, мрачный Плутон, с трудом различимый даже в сильный телескоп, астрономы обнаружили всего лишь за десять лет до плутония-элемента. Почти такой же срок разделял открытия планеты Уран и одноименного химического элемента за номером 92.


Плутоний, оправдавший название


Где искать и как добыть 239-й плутоний, догадаться к тому времени было уже нетрудно: у открытого ранее изотопа нептуния массовое число равнялось 239, и он был, как говорят физики, "бета-распадчиком", а значит, превращался в плутоний как раз с нужным числом нуклонов. Почему же столь незаурядные экспериментаторы, как Макмиллан и Эйбельсон, открывая нептуний, не наткнулись заодно и на следующий, 94-й элемент? От­вет прост - 239-й изотоп плутония распадается очень медленно (период полураспада - 24 тысячи лет) и, чтобы заметить его альфа-частицы, нужно добыть астрономическое число атомов. Так стоит ли ради какого-то лишнего изотопа городить огород?

Оказалось, стоит "уважить" 239-й: за "живучесть" его, великолепную делимость любыми нейтронами, легкость отделения от урана. Правда, все эти неординарные свойства пока еще были только предсказаны теоретиками, но предсказания покоились на надежном фундаменте. Ученых вдохновлял опыт недавних урановых исследований, когда успех не­изменно приносило сочетание нечетной массы ядра с четным его зарядом - кстати, в полном соответствии с теорией Бора.

По всем прогнозам выходило: 239-й - прекрасная ядерная взрывчатка, а если надо, то и топливо. Конечно, последнее обстоятельство в те времена во внимание не прини­мали: уже второй год шла мировая война, позарез нужна была сверхбомба. Так что всех представителей иной тематики в тот период начисто отлучали от циклотрона.

Ни с какими затратами не считались. Маленькую урановую мишень, которой пользовался Макмиллан, заменил теперь целый ки­лограмм урана. Его поместили в полости парафинового блока-замедлителя. В центре блока поставили охлаждаемый водой бериллиевый кубик, направив на него мощный пучок ускоренных дейтеронов. Дейтероны вырывали из бериллия быстрые нейтроны, а те, замедленные парафином, попадали в цепкие объятия урановых ядер. А дальше срабатывала цепочка: уран + нейтрон => тяжелый уран => нептуний => плутоний.

"Патронов" не жалели: обстрел большой мишени длился сутками, без перерывов. В итоге команда Сиборга выделила чуть мень­ше половины микрограмма 239-го изотопа, а это 1015 атомов.

Вскоре Гленн Сиборг и Артур Валь, создав уникальную для того времени микроскопическую аппаратуру - пипетки и колбы, различимые лишь под микроскопом,- в изящных экспериментах изучили основные химические свойства плутония.

Гремучая змея шумом своей трещотки предупреждает: "Берегись, обходи меня!". Микропипетки с зеленоватым раствором солей четырехвалентного плутония помалкивали... Но молодые Сиборг и Валь трудились аккуратно, точно отмеряя каждый шаг. Они-то догадывались, что имеют дело не с заурядным веществом, но вряд ли подозревали тогда, какого демона подарили миру.

ВНИМАНИЕ, СМЕРТЬ!

В любых своих проявлениях 239-й опасен чрезвычайно. Неразличимая глазом крохотная крупинка, внедрившаяся в человеческое нутро, рвет длинные молекулы ДНК, перерождает клетки и поселяет в организме болезнь, от которой нет спасения. Плутоний весьма токсичен и чисто химически, но об этом и говорить не стоит, столь велика са­мая грозная из его опасностей - радиационная. Но не только с токсичностью сопряжен страшный риск при обращении с серебристо-белым металлом и его растворами.

Плутониевый металлический шар оживает, перестает быть мертвой материей, когда его размеры переступают некую границу, достигают критического значения. Где проходит эта граница? Чему равна минимальная масса серебристого шара, способного самосто­ятельно порождать энергию, мощные потоки нейтронов и гамма-квантов? Первыми на эти вопросы ответили теоретики из Лос-Аламосской лаборатории, исчислив поистине критическую величину: критмассу плутония.

Лишь только в Лос-Аламос поступили первые килограммы взрывчатого металла с ханфордских заводов, физик-экспериментатор Луи Слотин получил экстренное задание. Ему предстояло "пощекотать хвост дракона", как шутили его коллеги.

Зажатые в специальных держателях, на подвижных салазках стояли друг против друга два покрытых тонким никелевым слоем плутониевых полушария, обращенные друг к другу плоскими частями - словно разрезанный пополам теннисный мячик. Каждая по­ловинка этого "мячика" была легче критмассы, а соединенные вместе они стали бы надкритическими.

В таких опытах, конечно, нельзя доводить дело до цепной ядерной реакции, иначе понадобится столько экспериментаторов-смертников, сколько опытов. Требуется какой-то дополнительный слабый нейтронный источник, который загодя предупреждал бы ученых, что критмасса уже близка.

При этом никак нельзя полагаться на космические нейтроны или нейтроны спонтан­ного деления: их мало, и можно не заметить "красной черты", которую нельзя заступать. Поэтому Слотин использовал дополнительный слабый источник - вроде лакмусовой бумажки, срабатывающей с упреждением. Полная гарантия безопасности...

Слотин сдвигал полушария, и чем меньший зазор оставался между ними, тем интенсивнее был нейтронный поток. Луи останавливал плутониевые куски, когда нейтронный град грозил стать опасным, и возвращал их в начальное положение.


Плутоний, оправдавший название
Металлический плутоний-239

Плутоний, оправдавший название
Металлический плутоний-239

Плутоний, оправдавший название
Металлический плутоний-239

Плутоний, оправдавший название
Диоксид 238PuO2. Плутоний-238 имеет значительно более короткий период полураспада - 87,5 года.

За счет тепла радиоактивного распада компактный кусок Pu-238 светится (в отличие от Pu -239)


Закономерность нарастания нейтронной лавины при уменьшении зазора между полушариями, измеряемая Слотином, была очень, очень нужна. Энергичный Слотин работал раскованно, быстро. Среди коллег-экспериментаторов он пользовался заслуженной репутацией аса. Слотин знал об этом. Автоматической защитой в тот раз он пренебрег...

В последнем, пятьдесят первом опыте полушария сошлись слишком близко. Последовала мощная нейтронная вспышка. Взревели динамики, подключенные к счетчикам. Слотин бросился к плутониевым полушариям и вмиг развел их в стороны. Руками! Цепная реакция сразу затихла. А Слотин скончался ранним утром на девятый день после своего последнего, по сути, демонстрационного опыта - в предыдущих все нужные данные были уже собраны.

А вот у нас - ни единой смерти в атомных экспериментах. Во всяком случае, так возвестил миру в конце пятидесятых Никита Хрущев. Еще бы: на памяти автора плутоний именовали в официальных бумагах "медью" в отличие от "подлинной меди" - элемента с символом Cu. За произнесение слова "плутоний" в устной речи сотрудники отделывались выговором,- а если не в устной, так дело и вовсе пахло тюрьмой [1].

Поэтому будем считать, что сюжет следующей главы просто-напросто придуман авто­ром в назидание молодым коллегам. Происходило все это в городе, которого "не существовало". Не был означен он ни на генеральной, ни на крупномасштабной картах, и даже вовсе не числился в списке городов, утвержденном Советом Министров. Правда, говорят, что с шаров-баллонов, а потом и со спутников его фотографировали супостаты и рассматривали там, у себя, на реке Потомак, в Пентагоне...



[1] Такое положение вещей сохранялось довольно долго. См. статью Теория валентности, или разговор о Некрасове в казенном доме, Химия и Химики № 4 (2008) http://chemistry-chemists.com/N4_2008/H/ChemistryAndChemists_4_2008-H1-1.html



КАК ТРОЕ ОПОЗДАЛИ НА ЕЛКУ

Все сроки кончались вместе с календарным годом, а материалов к годовому отчету не хватало. Оставался последний спасительный день — 31 декабря. Предстояло подсуетиться и закончить плановые эксперименты. Тогда все образуется. Начальство утвердит титульный лист отчета задним числом — ведь дело-то сделано. План будет выполнен, и вместо занудливых проработок и прочей нервотрепки — солидная премия да благодарность в приказе.

Поэтому молодые физики — Константин Бороздин, Виктор Петров и совсем юная, недавно окончившая техникум лаборантка Вера Браснакова уже в семь-ноль-ноль предъявляли свои многокрасочные пропуска внимательнейшим образом изучавшему их часовому, прежде чем переступить стальной порог обширной комнаты, или, если хотите, маленького зала.

На первый взгляд ничего экстраординарного. Потолки и стены окрашены белой эмалью, полы покрыты плотным, непроницаемым, медового цвета пластиком, прочно проваренным по швам.

Но чуть приглядишься — и взор подмечает некие нетривиальные особенности помещения: мелко зарешеченные окна, сургучные печати на стыках рам, слишком уж массив­ная стальная дверь в непомерной толщины бетонной стене.

Может показаться, что все предметы до единого здесь изготовлены из металла — других материалов тут, как будто, не признают. В глубине зала листами нержавеющей стали серебрится большой лабораторный стол, на нем, в центре, поблескивает невы­сокая, тоже металлическая банка литров на пятьдесят — увеличенный вариант чашки Петри, посудины, хорошо знакомой и химикам, и биологам. Для краткости Костя и Виктор свой главный лабораторный сосуд так и называли — «петри». На полу, рядом со столом, бак и насос, шланги из которых тянутся туда же, в петри. На соседнем сто­ле, размерами поменьше, черные корпуса электронных усилителей, длинные стеклян­ные цилиндры нейтронных счетчиков, схваченные лапами держателей. Лампы-пересчетки подмигивают подслеповатыми неоновыми глазенками — это дают о себе знать нейтроны космического фона. Механические счетчики с двумя циферблатами, похожие на миниатюрные шахматные часы, с тем лишь отличием, что стрелки их указывают не время, а мощность нейтронного ливня.

В ближайшем от большого стола углу приткнуто кадмиевое ведро, залитое парафином, с полостью в самом центре. В нем небольшой цилиндрик, привязанный за ушко длинной прочной леской к двухметровому удилищу, брошенному на пол. Ну и подальше от аппаратуры, метрах в пятнадцати, еще один стол, на сей раз обычный, из дерева.

На нем лабораторные журналы со столбцами заранее расчерченных таблиц.

Кажется, ничего я не забыл. Так выглядело все в той лаборатории в тот день, три с лишним десятилетия назад. В городе, которого не было.

Опыты начали сразу, без раскачки. Костя выудил из кадмиевого ведра цилиндрик, стараясь быть от него подальше. Он даже уди­лище держал за самый-самый кончик. Маленькая ампула, спрятанная внутри цилиндрика, каждую секунду испускала миллион нейтронов.

Когда цилиндрик исчез в стальной вертикальной трубке, пропущенной по центру петри, Виктор нажал черную кнопку переключателя. С легким жужжанием нехитрый насосик начал подавать раствор из бака в петри.

— Стоп,— скомандовал Костя,— есть отметка номер один!

Это означало: жидкость поднялась до нижней черты, нанесенной на трубке притороченного к петри уровнемера. Теперь опущенный в трубку источник нейтронов оказался в самой гуще раствора. Вылетавшие из него нейтроны тормозились легкими водородными ядрами замедлителя, затем делили на части тяжелые ядра 239-го и порождали второе поколение себе подобных — те, в свою очередь, третье, и так далее, так далее. Пересчетки перемигивались все быстрее, бодрее щелкали счетчики. Вера вписала первые цифры в таблицы, нанесла первую точку на миллиметровку.

Задачи бороздинской группы и Слотина при полном внешнем различии экспериментального антуража почти совпадали. За небольшим отличием — бороздинцы мерили критическую массу не металлического плутония, а растворов его солей.

Поясним. Плутоний извлекают из растворенных в крепкой азотной кислоте урано­вых блоков, месяцами «варившихся» в атомном котле. К заключительной стадии выде­ления плутония его концентрация в растворе нарастает — и вот это чревато, мягко говоря, крупной неприятностью, если вдруг где-то в технологической цепи случайно скопится критмасса.

Группа Бороздина собирала свои данные о дьявольской жидкости, чтобы потом передать их инженерам — конструкторам химических аппаратов. Ведь у тех другие масштабы, а значит, другой уровень опасности. А Витя, Костя и Вера ничем, кроме своей собственной жизни, не рисковали. Да и ею, как им казалось, тоже...

Критмасса плутония в водном растворе зависит от многих факторов, в том числе и от формы сосуда. В шаровой колбе соответствующего объема при подходящей концентрации она значительно меньше металлической критмассы — всего 700 г в пересчете на чистый плутоний. В плоском же слое эта величина значительно больше. В химических аппаратах, имеющих дело с плутонием, нужно, само собой, чтобы критмасса никогда не достигалась, а потому в них жидкость всегда налита плоским слоем. Такой сосуд был и у группы Бороздина.


Плутоний, оправдавший название
Кольцо из оружейного электрорафинированного плутония 99,96% чистоты. Масса кольца - 5,3 кг, этого вполне достаточно для создания атомной бомбы.

Кольцеобразная форма необходима чтобы не допустить образования критической массы.

Если данному куску плутония придать сферическую форму, начнется цепная реакция.


Ребята хорошо знали правила безопасности. В баке было столько раствора, что даже если бы Виктор перекачал его весь в петри, ничего страшного не произошло бы - слой все равно не стал бы критическим.

При таких предосторожностях, казалось, можно работать спокойно, и это как-то не­заметно расслабляло, нивелировало чувство опасности. Но вот благополучно завершен последний опыт. Костя и Вера просмотрели результаты на случай нечаянного ляпа. Виктор отключил аппаратуру. Тянуло к светлому праздничному столу, к друзьям, хотелось перекусить и выпить. Осталась одна нудная операция - медленно перекачать раствор в спецбак с толстыми стенками, с объемом, разбитым на ячейки, и крепкой, с замком и лункой для сургучной печати, крышкой. Так полагалось, чтоб избежать утраты малейшей капли раствора и всяких прочих нейтрон­ных неожиданностей.

И здесь Бороздин допустил маленькую вольность. В подобной работе только редкие исследователи могут позволить себе роскошь действовать спонтанно - люди с обостренным чутьем, с этакой чертовщинкой, "антеннами", настроенными на сигнал опасности. Но таких единицы на сотни тысяч - они из породы великих экспериментаторов. А Костя, видно, был просто хорошим - ну, максимум, талантливым, не великим...


Плутоний, оправдавший название
Растворы солей плутония разной степени окисления

- Витя,- сказал он,- перельем-ка наш лимонад так, без насоса. Поставь воронку!

Пара выверенных движений, и из горла бака торчит блестящий широкий раструб. Костя склонился над петри, ухватил посудину за край днища и стал наклонять в сторону бака, подобно тому как прачка наклоняет таз, выливая мутную воду. Рассредоточенное по днищу зелье собралось в компактную массу и мгновенно ожило, вскипело каждым кубическим микроном. Горячий вихрь обжег Костино лицо, фейерверком взлетели вверх мелкие капли, ударили в потолок, изобразив на его эмали обрамленную зелеными крапинками нерукотворную Костину тень.

Подумай Бороздин еще мгновение - и его передернуло бы от одной мысли, что можно вот так, безалаберно наклонить проклятую петри. Ведь слить зеленый раствор в один край чаши равноценно соединению тех самых плутониевых полушарий. После роковой манипуляции у Бороздина, как и у Слотина, пошла неуправляемая, самоподдерживающа­яся цепная... Тепло, выделившееся при ра­диоактивном распаде, заставило раствор вскипеть. Реакция, впрочем, тут же погас­ла - вещество-то разлетелось. Но за крат­кий миг ребята приняли на себя мощные нейтронные и гамма-потоки. Они досыта на­глотались плутония - сотня укусов гюрзы не принесла бы им столько вреда.

Свойства радиоактивного поражения таковы, что в первый момент даже при огром­ном, смертельном переборе человек чувствует себя почти в норме. Вера ощутила лишь легкий дискомфорт, будто перегрелась на жарком южном пляже. Ребят слегка под­ташнивало.

- Помнишь оперу "Чапаев"? "Каюк, Василий Ваныч!",- пытаясь не терять чувства юмора, вымолвил Виктор.

Слезы навернулись на Костины глаза. Он вспомнил: на нем вязаная кофта, новогодний мамин подарок. Он только что получил ее на спецпочте. В посылке лежало и мамино письмо, но выдающая, вскрыв посылку и порывшись в ней, нашла письмо и не отдала, как ни упрашивал ее Бороздин. Не положено, и все тут. А что положено, а что нет, никто не знал - список запретного, видимо, тоже был секретным. Теперь до следующего "непосылочного" письма не дожить, и он не узнает, как там, дома.

Слабость была минутной, хоть Костя умом и понимал - ни у него, ни у Виктора нет никаких шансов выжить. Ни по какой тео­рии вероятности.

Теперь уже не опасаясь, без всяких там правил ТБ, убрали размазанный по полу раствор. Их не оставило чувство долга. А вот были ли они кому-то и за что-то должны?

Костя и Виктор не протянули и суток. Вера уцелела, уж не знаю, к счастью или к несчастью. Ее спасло расстояние, ослабившее губительные лучи. Но она уже никогда не жила дома - почти тридцать три года, до самой кончины, обитала в больницах. Глубокий радиационный ожог лишил ее ткани способности регенерировать клетки. Тело покрыли незаживающие язвы, струпья. Беспрерывные уколы, мази, мучительные процедуры стали единственным содержанием большей половины ее жизни.

Когда я об этом рассказываю, всегда вспоминается еще один трагический эпизод: однажды на моих глазах велосипедист на оживленном шоссе круто свернул влево под колеса мчавшейся за ним "Волги" - он увидел свой дом, а разве у родного очага что-то плохое может произойти? Ведь осталось не­сколько метров до знакомой зеленой калитки.

Беды со Слотином, Бороздиным, Петровым, тем неизвестным мне велосипедистом, я бы назвал "катастрофами последних вершков". На этих вершках трудно собраться, но легко расслабиться и потерять все.

А ведь ни у Слотина, ни у Бороздина не было и не могло быть никакого ядерного взрыва. Просто выделилось много нейтронов - не более того.

СОВЕТЫ ИСТОПНИКА

Со стронцием, если верить поэтам-бардам, нынче дело дрянь: от него, с точки зрения истопника, хороша "Столичная", но нет же и ее!

А как обстоит дело с плутонием? Увы, нет пока эликсира против плутония, не то что "Столичная" - даже виски по коммерческим ценам не помогает. Плутоний цепко держится в организме, проникает в глубину костной ткани, в костный мозг, и требуется его там совсем немного, чтобы отправить человека к праотцам. Плохо, точнее, очень плохо, когда нерастворимые частицы плутония из атмосферы попадают в легкие. Отсюда и чрезвычайно жесткие нормы на его содержа­ние в окружающей среде, не говоря уже о человеческом организме.

Приведем краткие выдержки из официаль­ного документа - НРБ - 76/87, Москва. Энергоатомиздат, 1988 (НРБ - нормативы радиационной безопасности).

Допустимое содержание растворимых соединений плутония-239 в костях человека 0,02 мкКи (Ки - Кюри, единица, равная 3,7·1010 распадов/с, мкКи - 3,7·104 распадов/с). Значит, 0,02 мкКи - это 0,32 мкг. В легких допустимая доза - 0,008 мкКи (0,13 мкг) нерастворимых соединений, в ат­мосферном воздухе 3·10-17 Ки/л (4,8·10-10 мкг/л), в питьевой воде (2,2·10-9 Ки/л [3,5·10-2 мкг/л]).

Как видим, числа, определяющие допустимые дозы, ультрамикроскопические.

Но откуда ему взяться, плутонию, если мы с ним не работаем? Оказывается, общее число испытательных ядерных взрывов достигло внушительной цифры - 1820, во всяком случае, именно такая величина приведена в американском "Бюллетене ученых-ядерщиков", откуда перепечатана нашей прессой. Из них 483 испытания проведены в атмосфере, да еще Чернобыль... По грубой оценке, за все годы около двух тонн плутония вылетело в атмосферу. Да благо бы только в атмосферу - а подземные взрывы? А аварии, вроде той, когда в конце пятидесятых американский бомбардировщик уронил четыре водородные бомбы на побережье Испании? Термоядерного взрыва, слава Богу, не последовало, но инициирующее устройство взорвалось-таки, и плутоний водородной бомбы был развеян на большой тер­ритории. Пришлось снять почву с 400 гектаров и вывезти.

Так что людям приходится сталкиваться с ядовитым элементом не так уж и редко. Нужен контроль, да и организму нашему не худо бы помочь как-то бороться с 94-м элементом. Метаболизм плутония - дело хитрое, но кое-какие идеи уже есть.

Есть два пути изгнания плутония из организма - превращение его соединений в легко растворимые органические компаунды и замещение плутония биологически актив­ными химическими элементами, например четырехвалентным цирконием.

Но как подобрать лекарство, как проверить его эффективность?

Здесь помогает плутоний с массовым числом 237. Его можно получить только на циклотронных пучках. Этот изотоп безопасен, так как его распад сопровождается испусканием не смертоносных альфа-частиц, а в основном лишь мягких гамма-квантов. По их излучению можно проследить, какими путями путешествует плутоний в человеческом теле, какие вещества, введенные в организм, могут направить его в сторону выхода. Сегодня медики надеются с помощью такого отметчика найти эффективные лекарства против плутониевого отравления. 237-й недолго задерживается в организме. Его период полураспада - всего около сорока дней.

Теперь такой вопрос. Две тонны плутония, распыленного в атмосфере во время ядерных испытаний,- много это или мало? Если бы весь этот плутоний разделить поровну на навески по 100 мкг, то им можно было бы сгубить 20 миллиардов людей за 16 дней - так сказано в самой авторитетной несекретной книге о плутонии, изданной, увы, не у нас (М. Taube. Plutonium. "Pergamon Press", Oxford, London, New York, Paris; 1964). Еще цифры. Распределим мысленно, конечно, эти две тонны равномерно по атмосферному слою высотой 20 км. Тогда в этом приземном слое будет как раз предельно допустимая доза.

Но повода для паники все-таки нет. Большая часть плутония упала на землю, растворилась, попала в недосягаемые места. В миллиарды раз страшнее запасы ядерных боеголовок. Пущенные в дело, они способны сте­рилизовать земной шар, словно кобальтовая гамма-пушка картофелину.

*****

Мир рвался в опытах Кюри
Атомной, лопнувшей бомбой
На электронные струи
Невоплощенной гекатомбой
А. Белый, 1921

Что бомба будет, предполагали давно, еще в самом начале века. Часто говорят, что слова "атомная бомба" впервые произнес Гарри Трумэн. Но стихи в эпиграфе опровергают расхожее мнение. Русский поэт Андрей Белый, побывав в лабораториях физиков, еще семьдесят лет назад констатировал: рано или поздно мир развеется на "электронные струи"...

ЗЛО И ДОБРО

Когда молодые Сиборг и Валь, ныне прославленные, и почти забытый Слотин, и никому не известные бороздинцы, исследовали элемент № 94, а данные о его свойствах заносили в секретные журналы, то, если не кривить душой, делали это во имя зла. Выбора у исследователей не было - приходилось работать на сверхбомбу.

"Не всякое творчество хорошо,- писал Николай Бердяев,- может быть злое творчество... Повсюду человек стоит перед выбором".

Дьявольские надежды, возлагавшиеся на плутоний, изотоп с массовым числом 239 полностью оправдал. Из 239-го изготовили сердце атомной бомбы.

Но получилось это все же не так гладко, как принято считать. Плутоний-239 накапливают в ядерных реакторах. Там, вместе с ядерной взрывчаткой, с 239-м изотопом, неизбежно образуется и его "стар­ший брат" - 240-й (при захвате нейтронов ядрами 239Pu), не делящийся, или, точнее, плохо делящийся нейтронами. Но зато он прекрасно делится самопроизвольно, в 46 тысяч раз быстрее 239-го, и дает при этом немало нейтронов - роковая беда многих конструкторов первых атомных бомб. Как быстро ни сближай два плутониевых полушария, спонтанные нейтроны преждевременно инициируют цепную реакцию, и происходит "мягкая вспышка" - такая, как у Слотина, или чуть посильнее (про это мы подробно рассказали в первой части статьи). При вспышке выделяется много нейтронов, но львиная доля ядерной взрывчатки рассеивается в пространстве. Люди рядом не могут не погибнуть, однако взрыва не происходит.

Когда американские физики узнали о высокой спонтанной делимости третьего изотопа плутония, они были обескуражены. Обстоятельно обсудив зловредное влияние 240-го с Ферми и Оппенгеймером и не найдя выхода из сложившегося положения, председатель Национального комитета по военным исследованиям Джеймс Конант с досадой воскликнул: "Эх, и это все зря!".

Но вскоре шоковое состояние у аме­риканских ядерщиков прошло. Они изобре­ли новый метод ядерной детонации, назвав его имплозией. Старый - когда два отдель­ных полушария летят навстречу друг другу, словно два снаряда, пущенные из пушек лоб в лоб,- остался только на картинках в школьных учебниках, да в воспоминаниях.

У нас я нигде не встречал описания процесса имплозии, спасшего плутониевый проект. Поэтому рассмотрим американскую версию событий.

Вот первый рисунок. Полый плутониевый шар, размером не превышающий мяч для игры в бейсбол,- в самом центре бомбы. В его полости бериллиевый шарик, снаряженный радиоактивным зельем, но до поры до времени ничего не излучающий, нейтральный. Несравненно большее по размерам устройство из тридцати шести отдельных блоков обычной (в смысле - не ядерной) взрывчатки в виде линз, обработанных с величайшей степенью точности, охватывает плутониевый заряд. В каждой линзе для большей надежности два детонатора, подсоединенных к единой электрической цепи.


Плутоний, оправдавший название
Схема атомной бомбы.
Линзы, синхронно детонируя (в течение 10-6 секунды), сжимают до критического объема плутониевый шар с бериллиевой сердцевиной - "законсервированным" до поры до времени нейтронным источником


Итак, в некий час (вернее, миг) "икс" инициированы все детонаторы. Линзы, одновременно взрываясь, сфокусируют мощные ударные волны в месте расположения плутониевого шара - подобно бриллианту, окутанному большим комом ваты, по меткому сравнению Роберта Оппенгеймера. Взрывные волны, сойдясь в центре, со всех сторон сжимают плутониевый "бриллиант", словно резиновый мяч. В принципе, происходит то же самое, что и в старом "пушечном" варианте - части шара устремятся навстречу друг другу, только сразу со всех сторон и несравненно быстрее, по самому краткому пути.

Наконец волна сдавила мяч в горячий плотный шарик критического объема. В этот момент включается нейтронный источник, и цепная реакция совершается в течение миллионной доли секунды.

Теперь плутоний превратился в раскаленную до температуры в несколько миллионов градусов плазму, а дальше вспышка "ярче тысячи солнц", грибовидное облако - словом, все, как на картинках и в фильмах, только страшнее.

В имплозивном варианте в силу его стремительности спонтанное деление плутония-240 играет гораздо меньшую роль. Уж больно там все быстро. Поэтому-то и говорят, что этот хитроумный способ спас затраченные на плутониевый проект миллиарды.


Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion

Ядерный взрыв. Nuclear explosion




ПЛУТОНИЕВАЯ КУХНЯ

В 1944 году, 13 сентября, в Ханфорде, штат Вермонт, США, заработал первый промышленный (а точнее, военный) реактор, построенный знаменитой фирмой «Дюпон». Фирма прославилась изобретением найлона и освоением его в промышленном масштабе. В 1939 году были выпущены первые найлоновые чулки, а через две недели все (абсолютно все!) конкуренты, производившие аналогичный товар из других материалов, обанкротились. Это был своего рода мировой рекорд. Записан ли он в книге Гиннесса? Кажется, нет.

Между тем плутониевый проект — куда более значительная операция «Дюпона». И доходы оказались куда выше, чем от найлонового производства.

В изотопном реакторе, подобном ханфордскому, на один килограмм накопленного плутония выгорает немногим более килограмма урана-235 и выделяется энергия в 23 миллиона кВт-ч. Получается, что в реакторе мощностью 1 кВт килограмм плутония накопится за три тысячи лет. Поэтому изотопный реактор должен быть мощным. Для войны ведь нужны сотни килограммов плутония.

Ходит анекдот, что как-то Курчатов, демонстрируя пробирку с первыми граммами советского плутония, заметил: мол, неплохо бы, Лаврентий Павлович, показать первые образцы товарищу Сталину...

— На ... товарищу Сталину ваши граммы, товарищу Сталину тонны нужны! — последовал ответ.

Скромный по нынешним временам котел мощностью в 200 тысяч кВт за год накапливает в урановых блоках 239-го всего на десяток «ядерных бриллиантов». Это из уже известной читателю книги М. Таубе «Плутоний» («Пергамон Пресс», Оксфорд, Лондон, Нью-Йорк, Париж). Вот еще из той же книги:

«... 1000 кг плутония в год производит АЭС электрической мощностью 600 МВт в быстрых реакторах-бриддерах или 1000-мегаваттная станция на тепловых нейтронах» (это, кстати говоря, мощность одного Чернобыльского блока).

Распространено мнение, что с открытием цепной ядерной реакции, неизбежным следствием которого стало создание бомбы, человечество явно поторопилось. Можно думать по-другому или делать вид, что думаешь по-другому,— приятнее выглядеть оптимистом. Но и у оптимистов на душе тревожно — даже теперь, в эпоху разрядки.

Мы помним, сколь торжественным был июньский день, когда дала ток первая атомная электростанция в Обнинске. Но невозможно забыть августовское утро Хиросимы, недавнюю Чернобыльскую катастрофу. Невольно встает вопрос об ответственности ученых. Ведь новая мировая война, если будет, то будет последней — об этом то и дело напоминают фюреры разных масштабов и рас из всевозможных уголков нашего разношерстного мира.

Попробуем все же доказать на первый взгляд парадоксальный тезис: производство плутония, несмотря ни на что, приба­вило человечеству не только опасений, но и, напротив,— некоторых надежд.

Допустим, случилось так, что по какой-то причине — или, как сказал бы верующий, по воле Божьей,— плутоний не подошел для атомной бомбы, скажем, ввиду его слишком сильной склонности к спонтанному делению. Уменьшились бы тогда страхи и опасения? Ничуть. Ядерные заряды снаряжали бы ураном-235, и вряд ли делали их в меньшем количестве, чем плутониевые. Только затраты на них съели бы еще большие куски бюджетов ядерных держав,— а в наше время и некоторых развивающихся стран.

Зато в «бесплутониевом» мире сразу исчезает любопытная возможность развивать энергетику в таких грандиозных масштабах, для которых просто явно не хватило бы урана-235. Зло, нанесенное откупориванием бутылки с ядерным джинном, не уравновешивалось бы, пусть пока гипотетической, но все же перспективой обращения атома на доброе дело.

Основная доля — 139 частей из 140, в природном уране приходится на изотоп с массовым числом 238. Его можно сжигать в ядерных реакторах лишь после трансфор­мации в плутоний. Оказывается, есть способ такой трансформации не только без затрат энергии, но, напротив, с ее производством.

Как это происходит? В обычном изотопном реакторе плутония получают мень­ше, чем сжигают урана-235. А вот в реакторах-размножителях с плутониевой загрузкой (их иногда называют бриддерами — английское «breeder» означает «источник», «инициатор»). После сгорания одного килограмма плутония выделяется 20 миллиардов больших калорий энергии и одновременно накапливается около полутора ки­лограммов плутония из урана-238.

Сожгли дрова, нагрели печь, а в поленнице прибавилось дров... Не нарушен ли здесь закон сохранения энергии? Нет, ведь вся энергетическая прибавка извлечена из урана-238. Вот его убыль и вправду невосполнима. Но ведь 238-го почти в 140 раз больше, чем 235-го, а значит, бриддерная технология повышает эффективность урановых энергетических ресурсов в 140 раз! Если ее освоить, то в дело пойдут бедные урановые руды, а именно в них содержится львиная доля земного урана.

На Кольском полуострове, в северных норвежских шхерах, на неоглядных пространствах громоздятся скалы, сложенные из древнейших земных минералов — гранитов. Почти пятая часть веса земной коры приходится на их долю. В среднем в тонне гранита 25 граммов урана. Сумей мы весь гранитный уран трансформировать с разумными затратами в плутоний — те камни станут весьма экономичными энергоносителями.

Так в чем же дело? Давайте строить плутониевые реакторы-размножители и сжигать камни. Но опять, в который раз, обрубают крылья научной фантазии эко­номические расчеты, экологические проблемы...

Так вот, вся беда большой плутониевой энергетики (для нее даже аббревиатуру придумали — БПЭ) состоит в том, что пока она неэкономична, хоть все принципиальные научные проблемы и решены.

Устрашают своим объемом капитальные вложения. Бриддер очень уж дорогая ма­шина. Работает он при загрузке центнера плутония, активную зону реактора охлаж­дают жидким металлом. Водой нельзя, она замедлитель, а процесс плутониевого расширенного воспроизводства идет лишь на быстрых нейтронах — только быстрые делят плутоний с вылетом дополнительных своих собратьев, от чего и свершается «чудо»: из сгоревшего одного килограмма плутония получается полтора.

Ахиллесова пята расширенного воспроизводства энергии и горючего в бриддерах — необходимость переработки громадных масс облученного нейтронами урана. Здесь и набегают те самые копейки или центы на киловатт-час, делающие бриддерную энергию пока неконкурентоспособной.

Чтобы представить трудности извлечения плутония из реакторного урана, вновь обра­тимся к истории — ханфордским химическим заводам, малюткам в сравнении с тем, что потребовалось бы для БПЭ.

"КУИН МЭРИ"

«Сваренные» в ханфордских ядерных реак­торах урановые блоки — небольшие цилиндрики, одетые в алюминиевую оболочку,— после выгрузки из активной зоны некоторое время хранятся под толстым слоем воды, пока самые злые осколки деления урана, вроде иода, не распадутся. Иначе вмешается радиолиз, и химические реакции в сверхмощных полях излучений «свежеоблученного» урана не пойдут как надо, да и проблема защиты усложнится многократно. Конечно, нет времени ждать, пока исчезнут, скажем, стронций или цезий, у которых периоды полураспада около 30 лет. Но иод, распадающийся наполовину всего за 8,2 дня, примерно в 1300 раз активнее опасных «тридцатилетников» — стронция и цезия. Примерно месяца за два он исчезает практически полностью.

Красивое зрелище эти подводные блоки. Мягкое, с виду мирное такое сияние с синеватым оттенком истекает из них. Это светятся выбитые мощными гамма-квантами из водяных молекул, ставшие сверхсветовыми электроны. Так называемое черенковское излучение.

Но и после подводного заточения нейтронизированный уран — сильнейший источник радиоактивности. Для его переработки в Ханфорде построили целых три завода: два основных и один резервный. Каждое здание высотой с восьмиэтажный дом, шириной в 20, а длиной по фасаду 244 метра — по объему почти ленинградское, точнее, петербургское, Адмиралтейство, а по вложенным материалам и средствам многократно значительнее. Толстостенные корпуса заводов напичканы баснословно дорогим оборудованием из специальной нержавеющей стали. Бетонные мастодонты производили внушительное впечатление, чем-то напоминая океанское судно, вот почему окрестили их «Куин Мэри» — был такой океанский лайнер-рекордсмен.

Прежде чем эта «Куин Мэри» отчалила от дебаркадера, ее операторам вменили в обязанность набить руку в дистанционном управлении оборудованием. Это было мудрое решение. Вначале в «слепом полете» дело шло со скрипом, но со временем появилась сноровка — сбоев и срывов не стало. А ведь во время плавания «Мэри» уже никакая ремонтная бригада не могла бы проникнуть в трюмы адского судна и устранить последствия ошибки оператора.

«Когда «Куин Мэри» начала функционировать,— вспоминала Леона Маршалл, сотрудница Энрико Ферми,— и груды облученных блоков посыпались в горячую концентрированную азотную кислоту, громадные султаны оранжевых облаков поднялись над бетонными каньонами, взвиваясь на тысячи футов ввысь, а затем медленно уходили, гонимые ветром». Красивая картина. У Леоны Маршалл было явное литературное дарование.

В те сороковые годы в постройку трех «Куин Мэри» и в свою излюбленную автомобильную промышленность США вложили примерно равные капиталы. Недешево обошлись какие-то несколько сотен килограммов ядерной взрывчатки.

А теперь вспомните реплику Берии. От технической ли малограмотности или гиперболического почитания «гения всех времен и народов», но оказался он недалек от истины. Большая плутониевая энергетика должна бы оперировать тоннами. Правда, теперь, пожалуй, не стоит объяснять, ка­ких затрат, материальных и творческих, потребует проблема БПЭ.

К тому же, у нее, у этой самой БПЭ, есть основательный конкурент — термоядерный синтез, пока не вышедший из колыбели научно-исследовательских работ, если говорить о мирном его применении. Вряд ли скоро задышит новый источник энергии, пригодный для народного хозяйства в условиях долгожданной и уже мно­гострадальной, не успев родиться, «рыночной экономики». Он, этот источник, должен удовлетворять многим требованиям, сводящимся к одному: быть конкурентоспособным с уже существующими, причем и экономически, и экологически.

Автор в общем-то за термояд — только ради Бога, не надо обещать к такому-то сроку! Будет ли это нечто похожее иа «токамаки», или сработает изящный мю-катализ, или появится вовсе неожиданная идея — мы не знаем, и вряд ли кто сегодня знает.

А пока термояд если в чем и преуспел, то прежде всего в устройствах, рождающих сверхмощные импульсные нейтронные потоки. Так деликатно мы назовем водородные бомбы.

РОЖДЕННАЯ В ТАЙНЕ

Да, термояд работает в супербомбе, а в нее, как один из главных ингредиентов, входит плутоний.

Конструкция водородной бомбы впервые раскрыта в официальном отчете Лос-Аламосской лаборатории, посвященном ее сорокалетнему юбилею и увидевшем свет в 1983 году. Вот и цитата из отчета, написанная по-канцелярски серьезно:

«Первый мегатонный взрыв стал возможен благодаря использованию рентгеновских лучей, испускаемых в процессе взрыва ядерной бомбы-запала, для сжатия вещества и инициирования детонации второго взрывного устройства. Процесс воздействия меняющегося во времени по интенсивности источника рентгеновского излучения на второе взрывное устройство называют радиационным переносом».

Об этом рассказывает Ричард Роудс в своей книге «Атомная бомба». Первая основополагающая идея была высказана польским математиком, а затем амери­канским физиком (в одном лице) по имени Станислав Улам. Взрывная термоядерная реакция идет, если смесь дейтерия и трития нагреть до десятков миллионов градусов и поддерживать при этом высокое давление.

Удивительно, как складываются судьбы людей! Станислав Улам, талантливый моло­дой математик, прибыл в США из Поль­ши со своим младшим братом, как он полагал, на весьма краткий срок. Осенью 1939 года настало время возвращаться на родину. К счастью, не успел. Танки вермах­та въехали в Польшу за несколько дней до назначенной даты возвращения...

Но что может быть жарче взрыва ядерной бомбы? Это же великолепный подогреватель! Разместим концентрическими слоями плутоний и термоядерный материал, рассуждали конструкторы, и после ядерного взрыва произойдет гидродинамический нагрев смеси, она возгорится — и нет проблем...

Все проекты подобного рода оказались несостоятельными. Из теоретических оценок следовало однозначно — конструкция разлетится в прах еще до начала термоядерной реакции.

Прозрение пришло к Уламу нежданно, видимо, после того как он тщательно проана­лизировал процесс распространения электромагнитных волн в первый миг ядерного взрыва. В авангарде движутся рентгеновские лучи. Они, как всякие электромагнитные волны, бегут со скоростью света и, конечно, обгоняют ударную волну. И вот, именно здесь Улам ясно представил себе: если термоядерные материалы отделить от запальной ядерной бомбы, то поток рентгеновского излучения взорвавшейся бомбы-запала почти наверняка успеет поджечь термоядерную смесь за тот краткий миг, пока в область термояда добирается "медленная" взрывная ударная волна, и ей уже нечего будет разрушать. Рентген нагреет дейтерий и тритий, подобно тому, как разогревает пищу микроволновая печь, но сжать материал до высокой плотности (а это необходимо) он не в состоянии. Где же выход?


Плутоний, оправдавший название
Схема термоядерной (водородной) бомбы. После взрыва инициирующей атомной бомбы А1 газы сверхвысокого давления, продукты разложения пластика П, под действием рентгеновского излучения бомбы обжимают плутониевый стержень (в центре). Он достигает критических параметров, и начинается второй взрыв. Оба взрыва сопровождаются выделением нейтронов с энергией 1-2 МэВ. Термоядерная смесь в слое Т-Т достигает температуры и давления, достаточных для синтеза легких ядер - дейтерия и трития. При этом рождаются еще более энергичные нейтроны, с энергией 14 МэВ. Эти нейтроны легко делят уран-238, из которого сделаны цилиндры U1-U1 и U2-U2. Суммарная энергия взрыва в основном определяется количеством термоядерной смеси и размерами урановых цилиндров


После недолгих раздумий Улам и Теллер (последнее имя архизнаменитое!) пришли к выводу: требуется дополнительное вещество. Подходящим оказался обыкновенный поли­мер. (Впрочем, очень ли он обыкновенный, нам не скажут: ноу-хау.) Под действием рентгена пластик, охватывающий контейнер с тритием и дейтерием, мгновенно превращается в горячий ионизированный газ, подобный продуктам взрыва тринитротолуо­ла, но с существенным отличием: в «рентгеновском» варианте давление в сотни тысяч раз больше. Отсюда следовало — ядерный детонатор, малую атомную бомбу размером с футбольный мяч, следует поместить вдали от полимера и термоядерной смеси, расположенных в единой вакуумной камере. Теперь, после подрыва запала, поток Х-лучей войдет в пластмассу раньше ударной волны.

Конструкция пластиковой оболочки вокруг термоядерного материала проще, чем система линз атомной бомбы,— рентгеновские лучи практически одновременно поглощаются всем объемом пластика, и сжатие получается в высшей степени мощным, синхронным и симметричным. Однако предложенный Геллером и Уламом первый пластиковый вариант «растопки» не прошел, а стал лишь важным этапом к цели.

«9 марта 1951 года,— писал позднее Ганс Бете,— ...Теллер и Улам представили секретную работу, содержащую первую половину решения проблемы. Через месяц Теллер додумался до решения второй части проблемы... Все это немедленно вошло в главную часть термоядерной программы». (Из уже цитированной книги Р. Роудса.)

Вторая часть проблемы, по-видимому, заключалась в ином размещении вещества в бомбе — «цилиндры в цилиндрах». Вначале шел тяжелый урановый цилиндр, затем цилиндрический слой пластика и вновь слой урана, а за ним термоядерная смесь,— своего рода кольца, окружающие централь­ный плутониевый стержень (см. схему на рис.).

Теперь, после подрыва уединенной ядерной бомбы-запала, плазма, в которую превра­тился пластик, обжимает плутониевый стер­жень, он достигает критических размеров и, испаряясь, дает дополнительные нагрев и давление термоядерной смеси. Лавина очень быстрых термоядерных нейтронов делит ядра урана-238 без всякого труда — энергии хватает. Нейтроны, вылетающие из урана, идут на синтез трития. Такую систему называют «деление — синтез — деление» (имеются в виду деление плутония в бомбе, термоядерный синтез и рождение очень быстрых нейтронов, деление термоядерными нейтронами урана-238). В этой системе количество взрывчатки неограниченно. Поэтому и построены бомбы мощностью в де­сятки и сотни мегатонн. Вспомним: Хиросиму сжег «малыш» всего лишь в 70 килотонн...

Уже обычная атомная бомба ставила под угрозу самое существование человечества. И все же надежда, хоть и призрачная, кое у кого оставалась — выживем и под градом плутониевых бомб. Все-таки 20-тысячетонный эквивалент тринитротолуо­ла опустошает «не так уж много» квадратных километров, а о последствиях разру­шения АЭС тогда не думали, их еще просто не успели построить.

Водородное оружие рассеяло все и всяческие иллюзии. Теперь в руках несовер­шенного племени людей оказалось то, что до сих пор принадлежало по праву лишь богам — машина Судного дня. Однажды запущенная, она не остановится, повлечет за собой цепную реакцию сверхвзрывов, сметет ударной волной, сожжет радиоактив­ным излучением, задушит отравленной атмосферой все живое. Разве что некая элита отсидится в подземных бункерах с запасами продовольствия, топлива и кислорода, после чего ее деградировавшие потомки начнут все вновь с первобытного коммунизма. Так что лозунг «Вперед к коммунизму!», как видите, имеет еще один, не такой уж фантастический смысл.

Кстати, в последние годы это начинают понимать даже главные распорядители ядерного оружия. Американцы, например, отказались от производства сверхмощных термоядерных бомб, ибо стало ясно, что в случае их массового применения среди того, что они уничтожат, окажется озоновый слой планеты.

Поэт сказал: «Гений и злодейство — две вещи несовместные». Но сказал это устами наивного Моцарта. Опыт учит иному. Теллер и Улам были уверены, что творят добро. Лев Давыдович Ландау говаривал: «Физики спасли человечество от войн», полагая, что теперь уж, когда водородная бомба стала реальностью, не найдется идиота, способного развязать мировую войну. Такое мнение бытует и поныне. Маргарет Тэтчер, например, всерьез считает ядерное оружие полезной сдерживающей силой.

«Мы не видим в этих людях извращения понятия о жизни, о добре и зле для оправдания своего положения только потому, что круг людей с такими извращенными понятиями больше и мы сами принадлежим к нему». Слова эти из «Воскресения» Л. Н. Толстого...

ЭПИЛОГ

Не хочется заканчивать на такой грустной ноте. Все-таки нет худа без добра. В при­роде после водородных испытательных взрывов появился новый изотоп: плутоний-244. Он образовался после захвата ураном шести нейтронов подряд и последующего бета-распада. Это самый безвредный изотоп из всех трансурановых элементов. Он живет около 100 миллионов лет. Это удобнейшая мишень для синтеза новых элементов, о свойствах которых мы сегодня знаем еще очень немного.

Если не это шанс — то что?

Химия и Жизнь


Плутоний, оправдавший название
Испытание водородной бомбы





Атомная бомба из... мышеловок
Atomic bomb made of... mousetraps






Широкой публике понятие "цепная реакция" стало известно в 1945 г. в связи с работами физиков по получению ядерной энергии, после взрыва первых атомных бомб. Оказалось, что деление урана, плутония и других расщепляющихся материалов подчиняется тем же закономерностям, что и разветвлённо-цепные химические реакции.

На занятиях студентам часто показывают взрывы смесей водорода с хлором или кислородом. А как можно продемонстрировать разветвлённо-цепную реакцию деления урана? Эта реакция вызывается активными частицами - нейтронами, которые расщепляют ядра урана с выделением огромной энергии. Разветвление цепи происходит за счёт того, что при распаде ядра выделяются несколько нейтронов, способных к расщеплению новых ядер.

Остроумную модель "атомной бомбы из мышеловок" построили на кафедре физики Московского энергетического института. Для этого взяли полсотни мышеловок, изображавших атомы. Роль нейтронов в них выполняли "приманки" в виде медных шайб, один из краёв которых был срезан. Мышеловки распола-гали поблизости друг от друга и на каждую после взвода пружины клали по два "нейтрона". Если бросить шайбу на одну из мышеловок, она срабатывает, подбрасывая два "нейтрона". Те, в свою очередь, могут разрядить ещё две мышеловки, высвобождая уже четыре "нейтрона". Так наглядно моделируется размножение активных частиц в ходе ядерного взрыва.

Остаётся объяснить, почему для "нейтронов" была выбрана столь необычная форма шайб. Ответ прост: круглые (без среза) шайбы при "ядерном взрыве", как правило, закатывались в труднодоступные места, и после завершения опыта приходилось их долго искать...


Модель атомной бомбы. Model of atomic bomb
Модель атомной бомбы
Model of atomic bomb



"И КАК БОМБА РАЗРЫВАЯСЬ..."
Клевета вначале сладко,
ветерочком чуть порхает,
и, как будто бы украдкой,
слух людской едва ласкает,
и журчит, как ручеёк...
Всё сильнее с каждым часом
возникает толкованье,
вот гремит уж общим гласом,
стало общим клеветанье;
вот, как буря, разразилось,
загремело, покатилось
неудержною волной.
Гул сильней всё нарастает,
в ужасе трепещут люди...
И, как бомба разрываясь,
и, как бомба разрываясь,
клевета всё потрясает,
и колеблет мир земной.



Этот фрагмент арии Дона Базилио из оперы Дж. Россини "Севильский цирюльник" может служить прекрасной иллюстрацией к особенностям разветвлённых цепных процессов: "взрывом бомбы" заканчивается цепная реакция распространения сплетен в городе.

А вот какое сравнение нашёл для скорости цепного процесса замечательный популяризатор науки Яков Исидорович Перельман в книге "Живая математика":

"В небольшой городок с 50-тысячным населением приехал в восемь часов утра житель столицы и привёз свежую, всем интересную новость. В доме, где приезжий остановился, он сообщил новость только трём местным жителям; это заняло, скажем, четверть часа... Если слух распространяется по городу и далее таким же способом... то ранее чем в половине одиннадцатого дня поголовно все жители города будут осведомлены о новости, которая в восемь часов утра известна была только одному человеку".

Если учесть, что для реакции каждой активной частицы с молекулой исходного вещества требуется не четверть часа, а миллиардные доли секунды (при атмосферном давлении), то легко понять, почему разветвлённо-цепные реакции при больших концентрациях (давлениях) реагентов приводят к взрывам.

Важно отметить, что лавина разветвлённо-цепной реакции быстро заканчивается: спустя доли секунды после её начала для продолжения реакции уже не хватает исходных веществ - все они превратились в продукты реакции. И здесь наблюдаем известную аналогию: так же, как слухи и сплетни, быстро распространяются, но и быстро заканчиваются разнообразные "разветвлённо-цепные" финансовые пирамиды (типа знаменитых "Властелины", "МММ", "писем счастья"), различные "заманчивые" предложения за 100 рублей заработать 100 тыс. и т.п. На первый взгляд всё выглядит честно: покупатель оплачивает, например, только пятую часть стоимости автомобиля, а остальные деньги вносят привлечённые им новые покупатели - числом четыре. Те для оправдания затрат и получения машины должны в свою очередь найти ещё четырёх потенциальных покупателей и т.д. Подобные финансовые аферы, писал Перельман, ещё в XIX в. были в ходу в разных странах; во Франции их называли снежным комом, у нас - лавиной. Действительно, для продолжения "коммерции" вскоре попросту перестаёт хватать новых покупателей. По словам Перельмана, "фирма устройством лавины... принуждает 4/5 населения оплачивать товар, приобретаемый остальною 1/5 частью населения; иными словами - заставляет четырёх граждан облагодетельствовать пятого".

Но не будем о грустном. Ниже вы можете посмотреть видео работы аналогичной модели - "атомной бомбы", сделанной из мышеловок и тенистых мячиков. Такие "нейтроны" - в отличие от шайб, могут закатываться в разные неподходящие места, но купить мячики для игры в настольный теннис - не проблема. Видео было снято в Horizon Science Academy Cleveland high school (http://www.hsas.org/) и выложено по ссылке: https://www.youtube.com/watch?v=0v8i4v1mieU. В съемках "принимали участие" около 300 мышеловок и 600 мячиков. Первоистоник основного текста установить не удалось.


Atomic bomb made of... mousetrap

Download the Video / Скачать Видео (12 Мб, .avi )

Атомная бомба из... мышеловок (модель). Atomic bomb made of... mousetraps (model)

Атомная бомба из... мышеловок (модель). Atomic bomb made of... mousetraps (model)

Атомная бомба из... мышеловок (модель). Atomic bomb made of... mousetraps (model)

Атомная бомба из... мышеловок (модель). Atomic bomb made of... mousetraps (model)

Атомная бомба из... мышеловок (модель). Atomic bomb made of... mousetraps (model)






Центрифуга
Centrifuge


А.А. Ломачинский




  Этот случай произошел на Кафедре Биохимии Военно-Медицинской Академии им. С.М. Кирова в самом начале 80-х. Историю эту мне поведал однокурсник, курсант с моего отделения Серега Власов. Он тогда на Биохимии в научном кружке плотно ошивался и все вечерние дела, что там творились, знал. Ну а меня всегда новые инженерные решения привлекали, так что я с самой центрифугой тоже был знаком не понаслышке.
   
  Часть первая. МЫТАРСТВО ПРИОБРЕТЕНИЯ.
   
  Академик генерал-майор медицинской службы Борис Федорович Коровкин давно мечтал дополнить свои старенькие и слабенькие центрифуги на 40 G для седиментации белка чем-нибудь более серьезным. Захотелось ему и тонкие фракции осаждать по тогдашнему последнему слову техники. Заказал он кучу зарубежных каталогов и выбрал самую-самую продвинутую центрифугу на 450 G. Кто забыл, напомню - G это сила тяжести. Ротор таких центрифуг так быстро крутится, что за счёт этой силы позволяет фракционно осадить, что хочешь. Очень нужный для исследований в современной биохимии белка аппарат.
   
  Самые лучшие центрифуги в то время делала немецко-американская компания Сименс. Ну с валютой для науки, тем более военной, в Советские времена намного проще было - раз надо, значит дадим. Направили все заявки и вот с Внешторга приходит ответ - центрифугу вам продать не могут, так как оная попадает под санкции КОКОМ (тогда высокие технологии СССРу Запад не продавал).
   
  Началась бюрократическая переписка - инструмент вроде не для прямых военных целей... Надо отдать должное советским юристам, что они нашли факт, что какая-то центрифуга уже передавалась в СССР, но почему-то в рамках Советско-Американского проекта "Союз-Апполон" 1975-76 годах. Кафедра Биохимии в этой волоките не участвовала. Академик-генерал Б.Ф. Коровким написал что-то умное в ЦВМУ и выше в МО, типа без такого инструмента Советской Военной Медицине Америку не перегнать, ну и всякие там МИДовские агенты вкупе с военными атташе включились в работу. Пришла бумажка из Москвы, что центрифуга в Академии будет, но по цене в несколько раз большей от указанной. А вот устанавливать ее придется самим - КОКОМ импортных наладчиков не пропускает.
   
  Приходит долгожданный день. МинФин платит валюту, и на склады Академии подъезжают несколько большегрузных немецких фур-грузовиков. Сверяются документы - по документам все нормально. Сверяется заявка. Кроме слова "Центрифуга" ничего не совпадает. Центрифуга оказалась чуть великовата и предназначалась для ВВС - лётчиков-космонавтов в ней крутить!
   
  Налетело комиссий, давай выяснять, кто такую глупость сотворил и на каком этапе верхняя бюрократия свихнулась. Виновных нашли быстро где-то в Москве, но даже вроде не наказали, так как за эту машинку сразу три ведомства друг другу за глотки схватились - Институт Авиационной Медицины, Звездный и Байконур. Куда же ее в конце концов отослали, я забыл.
   
  Ну а генерал Коровкин ходит в великом гневе и печали. Опять бумажки в верхние инстанции сочиняет: "Где моя крутилка! Советская Армия боеготовность теряет не по дням, а по часам! Гоните срочно центрифугу, она утверждена в плане обязательных закупок."
   
  Возымели действие бумажки - покупают теперь уже "правильную" центрифугу. И опять КОКОМ не пропускает - на той центрифуге стоит супер-секретный воздушный подшипник. Сам ротор весит около полутонны, а на тех скоростях, что он крутится при сотнях тысяч оборотов в минуту, его ось никакой материал удержать не сможет - любая композитная супертвердая керамика сгорит, оплавится, растрескается, изотрётся и взорвётся, а любой металл не только расплавится, но и испарится...
   
  Так что имелось только одно техническое решение - держать эту махину в воздухе. Точнее на специальном потоке-подушке фильтрованного и сильно охлажденного воздуха под гигантским давлением. Это узел и назывался аероламинарный несущий воздушный подшипник ультра-высокого давления. Сам же ротор крутился за счёт электро-магнитного силового момента банальных проволочных обмоток по его периметру и на внешних контурах - по типу обычного электромоторчика, а баллансировался специальной системой электромагнитов. Ко всей этой махине прилагалась куча трансформаторов, каскадных турбин, компрессоров, вакуумных насосов, фильтров и систем охлаждения. Ну и весь этот комплекс мульёна на три-четыре долларей того времени тянул. Дорогая игрушка штучного изготовления.
   
  Списался Коровкин с нашими "ящиками", НИИ всякими закрытыми. Ему и говорят: ваш воздушный подшипник - не проблема. Мы на гироскопы тяжелых ракет подобные штуки имеем. Бери, мол, центрифугу без этого узла - мы тебе несущую подушку за месяц сделаем, нам бы только размеры померить.
   
  Купили центрифугу. Сделали и установили воздушный подшипник советского производства. В подвале под Биохимией выкопали здоровую квадратную яму и залили ее бетоном с кучей арматуры - специальный противовибрационный фундамент. На него и поставили центрифугу. Рядом установили все вспомогательные узлы. Ввели должность инженера-эксплуатационщика, чтобы всю эту систему обслуживать. Провели пробные испытания - агрегат пашет как швейцарские часы! Кому надо премии дали. Но было одно "но"... Когда устанавливали русский подшипник, пришлось отключить всю западную программную систему, в народе называемой "защитой от дурака". Ротор, работающий на таких радиальных ускорениях, требует сверхточной балансировки. Иначе каюк - резонанс. Пробирочки должны стоять в строго определенных местах и каждая должна быть сбалансирована по весу до миллиграммов другой пробиркой аналогичного веса на радиально-противоположной позиции ротора. Изначально это достигалось автоматически, или аппарат отказывался включаться при малейшей дисбалансировке, а вот после русской реконструкции приходилось полагаться только на инструкцию, что висела на стенке. Но махина исправно, хотя и недолго, работала и сыпала кандидацкие и докторские, как из ведра.
   
  Часть вторая. ТЯЖЁЛАЯ ЛЕТАЮЩАЯ ТАРЕЛКА
   
  Хорошо помните пол главного коридора из метлахской плитки (мрамор в полированном бетоне), что идет через всю Биохимию? А замечали, что в конце того коридора на полу есть неровное бетонное пятно, где цемент несколько иной текстуры, а полированная мраморная галька отличается по цвету? Вроде как когда-то дырку в полу заделали. Вот об истории этой дырки и пойдет речь:
   
  Пока умные люди на этой супер-центрифуге крутую науку делали, всё было хорошо - медицинские полковники народ в основном серьёзный. Но вот дорвался до передового края науки какой-то жутко блатной не то адъюнкт, не то клинорд аж в чине капитана. Но по блатате его отказать ему никак не могли и дали столько часов работы, сколько мальчику хотелось. Подвинули докторов-профессоров, мол очень хорошему перспективному человеку на очень важную тему срочно необходима наша центрифуга. Эх, жаль забыл его имечко - написал бы вкупе с паспортными данными. Мой однокашка, Сергей Власов, характеризовал его весьма точно - лёгкая стeпень дебильности, осложненная крайней мохнаторукостью. Так вот это капитанское чмо получило полный доступ и безраздельную власть над мировым достижением технической мысли.
   
  Как-то после шести вечера, когда штатный инженер ушел домой, сей научный деятель остался в Лаборатории Тонкой Седиментации один. Ну пара курсантов-кружковцев не в счет. Взял тот научный светоч 200 миллилитровую тефлоновую пробирку с каким-то своим экстрактом для седиментации и засунул ее в первую попавшуюся лунку. Всё! Контрбаланс не сделал. Никого нет - на кой правила эксплуатации соблюдать? Включил машину. Машина не включатеся - вся красными лампочками мигает и визжит, как Скорая Помощь. Не проблема! Капитан уже выучил - под аккуратными импортными кнопочками и тумблерочками есть обыкновенный громоздкий русский выключатель из тех, что в казармах свет выключают. Щелкни его, и какофония с забастовкой у центрифуги сразу кончается - она начинает ротор раскручивать. А если по инструкции, то можно и пару часов с балансировкой провозиться, пока машинные визги успокоишь, да лампочки погаснут. Кому такой непродуктивный подход нужен?
   
  Вот и отключил наш гений защиту от дурака и пошел на второй этаж чай пить. Центрифуга обороты набирает медленно, а там еще и крутить на заданных оборотах с час надо - короче времени завались. А что там только одна пробирка в крайнем ряду ротора его никак не волновало.
   
  Проходит час. На кафедре Биохимии тишина. Несколько отработчиков и дежурный преподаватель сидят кучно в одном из классов-лабораторий. ВНОСовцы как мыши тихонько гонят свои эксперименты в подвале. И вдруг...
   
  Пол в коридоре биохимии со страшным грохотом взрывается и в пролом влетает НЛО (неопознанный летающий объект характерной "тарелочной" формы). Крутясь на страшных оборотах и сыпя искры, с визгом пролетев по коридору, эта "летающая тарелка" вышибла какую-то дверь с куском стены в дальнем конце коридора, разгромила все в лаборатории и затихла. Как вы поняли, это был ротор ультраскоросной центрифуги.
   
  После аварии оборудование ремонту не подлежало и было списано в металлолом. На Биохимии быстро провели ремонт. Блатному капиташке ничего небыло - он пошел дописывать свой диссер на другую кафедру.. Гражданского инженера-эксплуатационщика чуть не посадили по статье "Преступная Халатность", потом правда сжалились и просто уволили за халатное отношение к работе. Из курсантов и преподов находившихся в тот момент на Кафедре по счастливой случайности никто не пострадал. Методика ультратонкой седиментации больше в Академии не применялась. Вскоре и генерал Коровкин уволился на гражданку (тогда академики везде в почете были).
   
  Мораль такова: если дурак дорвется к технике, то ни инженерно-програмные решения по защите от него, ни хорошие инструкции не помогают. И если дебил - блатной, он всё равно дебил.
 


Ультрацентрифуга. Ultracentrifuge
Ультрацентрифуга
Ultracentrifuge



<Радиоактивность. Радиоактивные элементы> <Химический Юмор. Научный Юмор. Атеизм>

<Химические вулканы и Фараоновы змеи ч.2> <Химические вулканы ч.1> < Опыты со щелочными металлами > < Опыты со щелочными металлами 1 > [Эксперименты с ацетиленом] [Эксперименты с ацетиленом, метаном, пропаном и бутаном] [Эксперименты с ацетиленом, метаном, пропаном и бутаном 2] <Эксперименты с пропан-бутановой смесью 1> <Эксперименты с пропан-бутановой смесью 2> <Эксперименты с фосфором ч.1> <Эксперименты с фосфором ч.2> <Эксперименты с водородом 1> <Эксперименты с водородом 2> <Эксперименты с водородом 3> <Хлористый азот (трихлорид азота). Иодистый азот (нитрид иода)> <Перекись ацетона, ГМТД, органические перекиси> <Черный порох> <Кумулятивный эффект (№5 2011)> <Нитроглицерин, Этиленгликольдинитрат, Нитроэфиры, Нитропроизводные> <Огонь от капли воды (№1 2012)> <Огонь на ладони (Холодный огонь)> <Ртуть, Амальгамы, Соединения Ртути>
<Радиоактивность (Обсудить на форуме)>
<Химический Юмор / Научный Юмор (Обсудить на форуме)> [Отправить Комментарий / Сообщение об ошибке]