Сказка об атомном электричестве и уральском пареньке курчатове

 

В студёный январский день 1903 года в городе Симе в семье уральского землемера и учительницы родился мальчик Игорь. В этот день снег скрипел под ногами особенно сильно, а из печных труб поднимались в небо толстые белые столбы дыма. Горящие дрова в те времена были главным способом согреть дом и приготовить еду. А если надо было ехать в соседние большие города – в Челябинск или Уфу, – то вагоны с людьми тащил за собой пыхтящий тёмными клубами дыма паровоз, в топке которого горел уголь или те же дрова.

Город Сим был похож на многие рабочие города Урала: он сгрудился покосившимися домишками вокруг Симского железоделательного завода. Почти в каждой семье кто‑нибудь трудился на этом заводе – и у Игоря там работал дед.

Места вокруг Сима были глухие, лесные, с ягодами да грибами. Местные мальчишки ходили в лес, купались в заводском пруду – и мальчик Игорь ничем сначала не отличался от своих сверстников.

И никто не знал, что этот мальчик придумает новый, атомный способ получения энергии для согревания домов, приготовления пищи и движения поездов.

 

В 1912 году семья Курчатовых переезжает в Крым, в Симферополь. Этот город оказался гораздо крупнее Сима, в нём были гимназия и университет. Благодаря своим способностям, упорству и помощи родителей, Игорь Курчатов закончил школу и университет на «отлично» и даже досрочно – и в результате оказался в 1925 году в Петербурге, в знаменитом институте Иоффе. В 1930 году Курчатов стал заведующим физическим отделом этого института, а в 1932 году приступил к изучению атомного ядра. В 1936 году Курчатов с сотрудниками открывает эффект изомерии искусственных атомных ядер, а в 1937 году – запускает первый в Европе циклотрон – ускоритель элементарных частиц. В 1942 году Курчатов возглавил советский атомный проект – и был на этом посту до конца своей жизни.

Курчатов и советские физики разработали атомный метод получения электричества. Раньше электричество вырабатывалось в основном на тепловых электростанциях, которые топились углём, мазутом или газом. Энергия горения угля или мазута грела водяной котёл, который давал пар, вращающий турбину. Турбина, вращая огромный металлический диск в магнитном поле, вырабатывала электричество или переменный ток. Принцип работы самой турбины‑электрогенератора был примерно таким же, как у первого электрического генератора Фарадея, который называют диск Фарадея. Этот диск, вращаясь в поле сильного магнита, дает электрический ток.

Важным источником электричества были также гидроэлектростанции, в которых турбину электрического генератора крутила падающая вода. Немного электричества вырабатывалось с помощью ветряков, где небольшую турбину вращал ветер.

– А как же солнечные батареи? Ведь с их помощью тоже можно вырабатывать электричество! – воскликнула Галатея.

– Можно, но во времена Курчатова этот метод почти не использовался, да и сейчас он приносит лишь очень небольшую часть электроэнергии, которую потребляет человечество. Перед Курчатовым и его сотрудниками стояла сложнейшая задача: поставить энергию атома на службу людям, в том числе научиться извлекать из атомной энергии электрическую.

– А зачем? – полюбопытствовала Галатея. – Разве нельзя использовать атомную энергию впрямую?

– Нельзя, – покачала головой Дзинтара. – Получение атомной энергии сопровождается опасной радиоактивностью, от которой требуется массивная защита. Поэтому ни атомных кастрюль, ни даже атомных автомобилей никто ещё не создал. Атомные реакторы стоят только на больших кораблях и на электростанциях, вырабатывающих из опасной атомной энергии безопасную и легко передаваемую электрическую энергию. На атомных электростанциях реактор тоже греет водяной котёл, нужный для вращения паровой турбины электрогенератора. Простые атомные реакторы ставят ещё и на межпланетные космические аппараты, которым нужно работать много лет вдали от Солнца, – ведь такие аппараты летят в вакууме, далеко от людей и нашей планеты, поэтому можно не опасаться радиоактивного загрязнения земной среды и опасности для землян.

– Но ведь космические станции стартуют с Земли, значит, есть вероятность аварии в атмосфере при взлёте! – возразил Андрей.

– Правильно, поэтому космические аппараты с радиоактивными материалами запускаются с помощью только самых надёжных ракет!

Но вернёмся к созданию первого атомного реактора. Самые первые атомные реакторы на Земле были естественного происхождения и работали в Африке, но во времена Курчатова об этом ещё не было известно.

В декабре 1942 году первый в мире искусственный атомный реактор был запущен в США, в здании чикагского стадиона. Реактор был построен группой физиков Чикагского университета под руководством итальянского физика‑эмигранта Энрико Ферми, и этот реактор был сугубо исследовательским. С помощью этой установки учёные хотели проверить саму возможность существования самоподдерживающейся атомной реакции.

Этот первый реактор получил название «чикагской поленницы», потому что состоял из 350 тонн графитовых блоков, уложенных, как дрова, в прямоугольный штабель с деревянным каркасом. Внутри графитового штабеля размещалось около 40 тонн слитков металлического урана и кирпичей из оксида урана. Урановые слитки и кирпичи были радиоактивны и выделяли некоторое количество энергии и быстрые нейтроны. Поток быстрых нейтронов проходил через соседний графитовый блок, замедлялся и попадал в другой урановый кирпич. Ядра урана начинали делиться под воздействием пучка медленных нейтронов – и выделяли новую порцию энергии и ещё один поток быстрых нейтронов…

– Который снова проходил через графитовый блок и замедлялся! – завершил мысль Андрей.

– Верно. Для того чтобы начавшуюся реакцию можно было заглушить, использовались стержни из кадмия и стали с примесью бора. Такие стержни активно поглощали нейтроны и заглушали реакцию. В качестве аварийного средства над реактором висел заглушающий стержень на верёвке. В случае непредвиденного разгона ядерной реакции, верёвку надо было перерубить, чтобы стержень падал в глубь реактора, останавливая её. Мощность реактора, который не имел охлаждения, была очень маленькой – около одного ватта.

 

 

В феврале 1945 года полноценной цепной реакции удалось добиться немецким физикам, которые работали над созданием атомной бомбы. Но в мае этого же года гитлеровская Германия капитулировала.

В 1945 году был также запущен атомный реактор в Канаде. Информация о конструкции первых реакторов была засекречена, поэтому группы различных стран работали во многом независимо.

Реактор, созданный группой Курчатова в московской лаборатории, представлял собой шар, сложенный из графитовых блоков и слитков металлического природного урана. С помощью кадмиевых стержней осуществлялось управление ядерной реакцией. Мощность неохлаждаемого реактора была невелика – в среднем 20 ватт, что могло питать одну тусклую лампочку. Но этот реактор стал важным стендом для испытания новых технологий ядерного века, который сулил очень многое, но и таил в себе немало опасностей.

На основе информации, полученной с помощью первого исследовательского реактора, команда Курчатова приступила к созданию уже полноценного атомного реактора с охлаждением. Место для такого реактора было выбрано на Урале, где в лесном укромном районе Челябинской области возник целый город атомщиков. Он долго был засекречен и носил условное обозначение. Только спустя много лет его местонахождение стало известно, и город получил красивое имя: Снежинск.

Атомная программа разных стран имела военное значение и была направлена на разработку атомного оружия. Многие люди считают создание атомной бомбы ужасной ошибкой, которую допустило человечество. Другие указывают на то, что атомные бомбы прекратили войны. Например, Россия за первые сорок лет XX века – с 1905 по 1945 год, более десяти лет провела в кровопролитных войнах, отражая четыре волны атак внешних врагов. Эти войны вызвали в стране революции, голод, террор и возникновение диктатуры. За последующие 70 лет Россия, создавшая собственное атомное оружие, ни разу не подвергалась внешним вторжениям – вероятность этого и ныне ничтожно мала.

Несколько развитых в научно‑техническом отношении государств, которые стали обладать атомным оружием и космическими ракетами для их доставки в любую точку земного шара, образовали своеобразный клуб стран, внешняя агрессия против которых практически невозможна. Одновременно, члены «атомного клуба», почувствовав своё военное превосходство, стали вести себя агрессивнее против неядерных стран.

– Почему люди всё время так старались убить друг друга? – возмущённо спросила Галатея.

Дзинтара вздохнула:

– Несправедливость и неравенство были основными чертами земного общества многие тысячелетия. Страсть к власти и наживе двигала многими людьми и питала амбиции королей, президентов и правительств разных стран. Вместо того чтобы сообща решать мировые проблемы, сильные страны нередко прибегали к оружию против слабой страны, чтобы заставить её выполнять их волю. Столкновение интересов и разных мнений вызывало не стремление к диалогу и компромиссу, а насилие и навязывание своей точки зрения. Но экскурс в политику уведёт нас очень далеко от атомного электричества… Для нашего рассказа важно то, что атомная программа имела не только военное значение, но и мирное.

Многие проекты в этом мире начинались как военные, но потом стали приносить пользу именно как мирные – ведь сами по себе военные проекты по сути своей совершенно бесполезны в экономике и обычной жизни.

Именно в СССР впервые в мире атомная энергия стала не только разрушать и угрожать, но освещать и обогревать.

Обнинская атомная электростанция мощностью 5 мегаватт – то есть 5 миллионов ватт – стала первой в мире промышленной атомной электростанцией. Она была пущена в эксплуатацию под руководством Курчатова и его специалистов и включена в московскую электросеть в 1954 году. Курчатов присутствовал на пуске Обнинской станции, и, когда пар из атомного котла пошёл в турбину, он поздравил свою команду словами: «С лёгким паром!»

В 1959 году Курчатов со своими сотрудниками создал реактор для атомного ледокола, первого в истории атомного надводного судна. Этот ледокол 30 лет пробивал в арктических льдах дорогу караванам судов. Сейчас на этом ледоколе устроен музей.

Так мальчик из небольшого уральского городка, где в печах горели дрова и уголь, открыл новую эру в истории человечества – эру атомного электричества. В течение последующего полувека в разных странах было построено большое количество атомных электростанций, с помощью которых человечество получило значительную прибавку к своему энергобюджету. Некоторые страны сделали основную ставку на атомное электричество, например, Франция получает три четверти своей электроэнергии именно из атомных реакторов.

Обнинская станция проработала 48 лет – на 18 лет больше запланированного срока и была остановлена в 2002 году. Сейчас первая атомная электростанция стала музеем и популярным местом среди туристов.

 

Получив атомное электричество, Курчатов не успокоился – ведь на свете существовал ещё один ядерный источник энергии, гораздо более мощный, чем атомный, и гораздо более чистый, избавленный от лавины радиоактивных отходов. Этот источник энергии, который называют термоядерным, основан не на делении тяжёлых ядер, а на слиянии лёгких.

В 1956 году, при посещении исследовательского британского центра, Курчатов предложил мировому сообществу совместно исследовать проблему мирного освоения термоядерной реакции. Не сразу, а спустя много лет, – но предложение Курчатова было принято: в 1985 году мировой консорциум из нескольких стран приступил к проектированию и строительству ИТЕР: первого термоядерного реактора с практически полезным выходом энергии и тяжёлого изотопа водорода – трития, килограмм которого стоит на мировом рынке 30 миллионов долларов.

Земные запасы угля, нефти и газа не бесконечны. Поэтому роль атомной и термоядерной энергетики будет нарастать…

– Если только не будет открыт какой‑то иной источник энергии, – сказал Андрей.

– Да, но, пока он не открыт, надо рассчитывать только на то, что известно. И среди известных источников энергии ядерная энергетика обладает наибольшими перспективами. Нынешние автомобили – это керосинки на колёсах. Пока они работают на бензине и солярке, но уже скоро станут электромобилями. Это означает, что потребность в электрической энергии будет быстро расти, – и здесь мирный атом станет главным помощником человечества. Надо только, чтобы политики не экономили на системах безопасности атомных станций и на обучении атомщиков – как они это делали раньше, – что приводило к серьёзным авариям ядерных реакторов.

Многократное радиоактивное облучение не прошло даром для Курчатова – его здоровье было подорвано, и в 1960 году он умер. Более десятка памятников в разных городах было воздвигнуто для увековечивания памяти этого выдающегося учёного. В честь его названы два города, лунный кратер, астероид, корабль, научный центр, несколько улиц и школ.

 

В Челябинской области существует Научное общество учащихся. Два раза в год школьники из НОУ собираются в летний и зимний лагерь, который называется «Курчатовец». Из этого общества вышло немало известных учёных – возможно, именно там вырастет физик, который прочно поставит термоядерное электричество на службу человечеству.

 

Примечания для любопытных

 

Игорь Васильевич Курчатов (1903–1960) – выдающийся советский учёный‑атомщик, создавший первый в СССР циклотрон и атомный реактор. Предложил проект по получению термоядерной энергии.

Энрико Ферми (1901–1954) – выдающийся итальянско‑американский физик‑ядерщик, которые руководил в США созданием первого искусственного атомного реактора. Лауреат Нобелевской премии (1938).