ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЯДЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

История ядерной индустрии начинается с открытия явлений радиоактивности, изотопии, различных видов ионизирующих излучений, спонтанного и вынужденного деления, обнаружения природных радиоактивных элементов, с отработки методов получения новых техногенных элементов и изотопов. Во всех этих направлениях важную роль сыграло создание новых наук - ядерной физики и радиохимии.

В данной главе кратко рассмотрены основные этапы создания и внедрения в промышленность различных видов ядерных технологий.

Ядерная физика и радиохимия

Ядерная физикараздел физики, изучающий структуру и свойства атомных ядер, а также их столкновения (ядерные реакции).

Радиохилшя - раздел химии, имеющий дело с радиоактивными веществами. Включает получение радионуклидов и их соединений путём обработки облученных материалов или природных радиоактивных веществ, применение химических методов к ядерным исследованиям и применение радиоактивности к исследованиям химических, биохимических или биомедицинских проблем.

История развития атомной промышленности начинается с открытия и изучения явления радиоактивности.

В 1896 г. французский химик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности (на примере урана). Фотографическим методом сначала была обнаружена радиоактивность соли (сульфат уранила калия, U02S04K2S04-2H20), а вскоре - радиоактивность чистого урана. В 1898 г. М. Склодовская-Кюри и Г.Шмидт (независимо друг от друга) открыли, что торий тоже радиоактивен. В том же году М.и П.Кюри, с помощью электрометра установили, что радиоактивность урановых минералов больше, чем радиоактивность урана, в них содержащегося. Это наблюдение привело супругов Кюри к предположению, что в урановых минералах находится какой-то значительно более радиоактивный элемент, чем уран. Переработав несколько тонн урановой руды, они полупили два радиоактивных осадка: гидрооксид висмута и сернокислый барий. Из них удалось выделить два новых радиоактивных элемента: из первого осадка - полоний, а из второго (методом дробной кристаллизации) - радий. Вскоре было обнаружено, что соли и растворы радия выделяют тяжёлый радиоактивный газ - радон (Э.Резерфорд, в августе 1899 г. открыл изотоп радона - 220Rn (торон); основной изотоп радона, 222Rn, отрыт Дорном в 1900 г.; 219Rn (актинон) - А.Дебьерном в 1910 г.). В октябре 1899 г. Дебьерном открыт актиний, а в 1903 г. - радиоторий (228Th) (О.Хан).

В 1899 г. Э. Резерфорд обнаруживает альфа- и бета-лучи. В 1900 г. открыто гамма-излунение.

В 18984-1913 гг. были обнаружены -40 естественных радиоактивных элементов и изотопов и 5 новых радиоактивных элементов (полоний, радий, радон, актиний, протактиний), изучены их свойства, установлены местоположения в периодической системе и их генетические связи. Удалось сформулировать правила превращения радиоактивных изотопов элементов одних элементов в другие.

Был предложен механизм радиоактивного процесса как явления самопроизвольного распада химических элементов, опубликован закон радиоактивного распада (Э.Резерфорд, Ф.Содди, 1902), доказан статистический характер радиоактивных превращений (Э. Швейдлер, 1903 г.). В 1903 г. Э.Резерфорд, Ф.Содди выдвинули идею радиоактивных рядов - продуктов распада урана и тория - генетически связанных радионуклидов. В 1906 г. Н.Кэмбеллом открыта радиоактивность калия и рубидия. Химиками было доказано, что различные изотопы свинца являются конечным продуктом трёх естественных радиоактивных семейств (Дж. Грэй, 1909)» в цепочке превращений один из элементов - радиоактивный инертный газ - радон, а альфа-частицы представляют собой дважды ионизированные ионы гелия (Э.Резерфорд, Т.Ройдс, 1909). В 1912 г. произошло открытие изотопов - обнаружено существования атомов неона с массой 20 и 22 (Дж. Дж. Томсон).

Проводившиеся в период 1905-г 1912 гг. исследования продуктов распада урана, тория и актиния (RdTh, MsThi, MsTh2, RaA, RaE, AcB и др.) привели в 1913 г. к обнаружению изотопов и явления изотопии у радиоактивных элементов (Ф.Содди) и выводу' правила смещения при радиоактивном распаде - правило сдвига Содди-Фаянса (Ф.Содди, К.Фаянс, А.С.Рассел, 1913). Были высказаны предположения о возможности существования изотопов высшего порядка - ядерные изомеров (Ф.Содди, 1917) и явления ядерной изомерии (Ст. Мейер, 1918). В 1921 г. О.Хан открыл явления изомерии атомных ядер, на примере протактиния-234. Были установлены закономерности изменения химической природы элементов в результате радиоактивного распада, опубликованы первые работы по влиянию температуры на эманирование твёрдых тел (А.С.Коловрат-Червинский, 1906), измерен коэффициент диффузии эманации радия в воздухе (П.Кюри, Ж.Данн, 1903). К этому периоду относится изготовление первого международного радиевого эталона (М.Кюри, А.Дебьерн) и начало работ по разделению изотопов (метод газовой диффузии, Ф. Астон, 1913).

В 1913 г. К.Фаянс и Ф.Панет изучили закономерности поведения микроколичеств естественных радиоактивных элементов в процессах со- осаждения и адсорбции. В 1914 г. Д.Хевеши методом диффузии удалось разделить химически неделимые радиоэлементы. В 1915 г. Д.Хевеши и Ф.Панет предложили метод радиоактивных индикаторов (метод меченых атомов), с помощью которого были изучены процессы самодиффу'зии и изотопного обмена в соединениях свинца. В 1923 г. Д.Хевеши - применил метод меченых атомов в биологии (он исследовал поглощение растениями свинца из раствора). В 1920 г. он же открыл изотопный обмен. В первой трети 20-го века были обнаружены явления коллоидообразования радиоактивных изотопов висмута и полония, и проведены первые работы по электрохимии радиоактивных элементов. В 1921 г. Отто Ган открывает ядерную изомерию.

Э.Резерфорд в 1918 г. провёл первую трансмутацию элементов с помощью а-частиц. Однако число ядерных реакций с участием а-частиц от природных радионуклидов ограничено. Более перспективным оказалось использование ускорителей заряженных частиц. В 1930 г. состоялся пуск циклотрона (ЭЛоуренс, в 1931 г. - электростатического ускорителя заряженных частиц (генератор Р.Ван де Граафа), 1932 г. - каскадный генератор (ускоритель протонов Дж. Кокрофта - Э.Уолтона). Первое расщепление ядра частицами, ускоренными в циклотроне (Э.Лоуренс, МЛивингстон, М.Уайт) произошло в 1932 г. В том же году удалось осуществить первую ядерную реакцию с искусственно ускоренными протонами - трансмутация ядер лития (Дж. Кокрофт и Э.Уолтон).

Важный этап развития ядериой физики и радиохимии начался после открытия нейтрона (Дж. Чедвиг, 1932), позитрона (К.Д.Андерсон, 1932) и искусственной радиоактивности (И.Кюри и Ф.Жолио-Кюри, 1934). В 1933 г. была продемонстрирована возможность получения мощных источников быстрых нейтронов при помощи ускорителей и открытие (d, п) и (р, п) реакций (ЧЛауритсен). Одновременно был открыт ядерный фотоэффект - фоторасщепление дейтрона (Дж. Чэдвик, М.Гольдхабер) и расщепление бериллия гамма-квантами (Л.Сцилард, Т.Чалмерс). В 1935 г. Р.Оппенгеймер и М.Филлипс рассмотрели ядерную реакцию срыва, а П.Мун, Дж. Тильман доказали резонансный характер взаимодействия медленных нейтронов с ядрами.

Перед 2-ой Мировой войной была доказана возможность искусственного получения радиоактивных изотопов почти всех известных стабильных элементов, и открыты ядерные реакции, приводящие к получению радиоактивных изотопов и синтезу новых элементов, в том числе трансурановых. В 1937 г. К.Перрье, Э.Сегре осуществили синтез первого искусственного элемента - технеция (бомбардировкой ядер молибдена дейтронами), Э.Сегре получил астат (1940 г.), М.Перей открыл франций (1939 г.), в 1940 г. Э.Макмиллан, ПЛбельсон синтезировали 239Np (13- излучатель), а Г.Сиборг, Э.Макмиллан, А.Валь, Дж. Кеннеди, Э.Сегре плутоний (в том числе 239Ри.) В 1947 г. в продуктах деления урана был обнаружен прометий.

С 1932 г. начали осуществлять ядерные реакции с помощью нейтронов. Это направление получило развитие после открытия Э.Ферми явления замедления нейтронов в веществе и создания методики замедления нейтронов. В 1936 г. он открыл селективное поглощение нейтронов.

В 1934 г. физик из Венгрии Лео Сцилард запатентовал в Англии атомную бериллиевую бомбу.

В 1939 г. Ферми обнаружил странное поведение урана под действием тепловых нейтронов, которое объяснил образованием трансуранового элемента (гесперий, теперь - плутоний). Радиохимики О.Ган и Ф.Штрассман повторили эксперименты Ферми с ураном. В ходе облучения урана нейтронами они обнаружили, что некоторые радиоактивные вещества соосаждающуюся с солью бария. Возникло предположение, что в результате реакции урана с нейтроном выделились две а-частицы и получился тяжёлый изотоп радия, который и выделялся с барием. Однако все попытки разделить дробной кристаллизацией бариевую соль и неизвестное радиоактивное вещество не дали результатов, но это несущее радиоактивность вещество удалось легко отделить от изотопов радия. Правильную интерпретацию этих опытов дали Л.Мейтнер и О.Фриш в 1939 г., заключив, что в результате ядерной реакции образуется радиоактивный изотоп бария. Возникла идея вынужденного под действием нейтронов деления урана на два осколка примерно равной массы. Л.Мейтнер ввела понятие «деление ядра».

Открытие О.Ганом, Ф.Штрассманом и Л. Мейтнер в 1938 г. деления урана при поглощении им нейтронов привело к возникновению ядерной промышленности: встал вопрос о создании атомной бомбы.

В 1939 г. Фредерик Жолио-Кюри запатентовал конструкцию урановой бомбы.

В 1940 г. Г.Н.Флёров и К.А.Петржак открыли спонтанное деление ядра урана.

О.Фриш, Ф.Жолио-Кюри, Г.Андерсон и Дж. Даннинг экспериментально доказали деление ядра урана на два осколка и измерили энергию деления. Открытие деления урана имело решающее значение для создания ядерного оружия и ядерной энергетики.

Замечание. О.Фриш при помощи камеры Вильсона доказал существование крупных осколков деления урановых ядер. В 1940 г. он (совместно с Р.Пайерлсом) оценил критическую массу 2^и для атомной бомбы, которая оказалась не столь велика, как считалось ранее. Этот результат (сильно заниженный) был изложен в секретном «меморандуме Фриша — Пайерлса», который во многом инициировал широкомасштабные исследования возможности создания ядерного вооружения.

Через год эффект деления урана тепловыми нейтронами и возможность реализации цепной реакции деления подтвердили Л. Сцилард, Ю. Вигнер, Э. Ферми — в США, Дж.Уилер — в Англии, Ф. Жолио-Кюри во Франции, Я. Зельдович и Ю. Харитон — в СССР.

Весь 20-тый век радиохимики интенсивно исследовали свойства радиоактивных изотопов, в первую очередь элементов, не имеющих стабильных изотопов. Проводится идентификация элементов, вплоть до 114- го элемента (Г.Сиборг, А.Гиорсо, Г.Н.Флеров). При этом вводится актинидная теория Сиборга и проводится её экспериментальная проверка.

В 1934 г. Л.Сциллард и Т.Чалмерс обнаруживают своеобразные химические эффекты в процессах захвата атомными ядрами медленных нейтронов. В результате был создан метод ядер отдачи. Были изучены химические последствия при изомерных переходах, р- распаде и К-захвате. Развитие этих исследований привело к созданию новых направлений в радиохимии: химии «горячих» и многократно ионизированных атомов, а также к созданию ядерной химии и химии процессов, индуцированных ядерными превращениями.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >