Мы давно не говорили о науке, буду исправляться. Тема нашего сегодняшнего разговора – цепные реакции. Они одновременно удивляют и вызывают страх – все мы знаем о Хиросиме и Нагасаки. Но что особенного в таких реакциях и, главное, можно ли их остановить?
Суть цепной реакции понятна из ее названия, но знаете ли вы, что именно происходит на уровне молекул? Если коротко, то это крохотное домино, где одна костяшка вызывает падение другой костяшки. Стало понятнее?
Само существование цепных реакций обусловлено двумя вещами – электромагнитным и слабым ядерным взаимодействиями. Чтобы разобраться, нам нужно углубиться в ядерную физику. Итак, ядра состоят из положительных протонов и не заряженных нейтронов. Теперь вспоминаем магниты – каким образом протоны вообще не разлетаются?
Дело в том, что протоны в ядре так близко, что начинает действовать сильное ядерное взаимодействие – ядра приклеиваются друг к другу и, как бы они не хотели разлететься, взаимодействие не дает им этого сделать. А разлетаются вне ядра они как раз из-за электромагнитного взаимодействия, которое расталкивает одинаково заряженные частицы. А нейтроны компенсируют силу отталкивания между протонами самим своим присутствием в ядре. В итоге протоны накапливают энергию, которую в другом случае уже давно потратили бы на то, чтобы улететь куда подальше. Это как очень долго и изо всех сил сжимать пружину. Соответственно, энергию эту можно и освободить, но к этому вернемся чуть позже.
Итак, сильное ядерное взаимодействие – чрезвычайно мощная штука, мощнее всех остальных сил во вселенной. Но действует оно на очень маленькое расстояние. Поэтому в больших ядрах, как у знакомого всем урана, связи между протонами в ядре слабее, чем у того же кислорода, особенно если протоны находятся на разных концах ядра. Если протонов и нейтронов в ядре становится слишком много, то сильное взаимодействие уже не может удержать все частицы в ядре, а протоны и нейтроны, заряженные энергией, разлетаются в разные стороны. В природе такие сверхтяжелые ядра встречаются буквально одно на миллион, поэтому после распада энергии высвобождается не так много. Но мы научились сталкивать друг с другом миллионы таких ядер.
Как происходит ядерный взрыв? Помним, что в атомной бомбе находятся миллионы не просто ядер урана или другого тяжелого вещества, а именно их изотопов. У изотопов на один или два нейтрона больше, а значит ядро уже тяжелее. Главное – заставить хотя бы один единственный изотоп распасться. Для этого нужно всего лишь запустить в него нейтроном, масса станет критической – это значит, что сильное взаимодействие уже не может удержать ядро целостным. В ядре урана больше двухсот протонов и нейтронов, и они летят в разные стороны. Какова вероятность того, что они столкнутся с другими ядрами?
В природе – минимальная, в атомной бомбе – стопроцентная. Частицы из одного ядра попали в другие ядра, те распались и так же попали в другие ядра. Вот вам и цепь. Работает это за счет того, что перед распадом и высвобождением энергии, которая накоплена в протонах, происходит простой взрыв, который своей энергией сближает ядра в бомбе.
Но мы уже используем ядерную энергию, так? Почему атомные электростанции не взрываются одна за одной, погружая нас в ядерную зиму? Как выяснилось, цепную реакцию можно и остановить. Для этого, логично, нужно как-то поймать эти частицы, которые разлетаются при распаде ядра.
Тепло от распада нагревает старый добрый пар, который вращает старую добрую турбину. Если задуматься, не так уж далеко мы ушли от паровых генераторов. Если тепла становится слишком много – между слитками урана помещают специальные стержни, которые ловят протоны и нейтроны, либо изолируют тот слиток, в котором идет реакция.