РУЙНІВНИК СВІТІВ: глибинна історія ядерної епохи

Френк Клоуз / cam.ac.uk

Таку назву має нова книга Френка Клоуза, видатного популяризатора науки, почесного професора Оксфордського університету, який спеціалізується на фізиці елементарних частинок. Вона розповідає про химерний шлях, яким людство увійшло в ядерну еру. Все починалося з безневинних лабораторних витівок, але потім ланцюжок відкриттів привів до небаченої в історії зброї. Тож для чого ж насправді фізики вивільнили силу атома?

ЛАБОРАТОРНИЙ ФОКУС

Історія ця почалася, ймовірно, з відкриття електричного струму, для якого тверді матеріали не були непереборною перешкодою. Завершилася вона появою технологій, здатних стерти з лиця землі цілі міста… А стала можливою тому, що вчені надзвичайно сприйнятливі до нових знань, які миттєво, немов вірус, починають мігрувати з однієї країни в іншу. У 1890-х роках німецький фізик Вільгельм Рентген виявив електричні струми, які він назвав рентгенівськими променями.

Вони проходили буквально крізь усе, включаючи його власні руки та руки його дружини. Можливо, це так би й залишилося безневинним лабораторним атракціоном, якби у Франції Антуан Анрі Беккерель не вирішив перевірити своє припущення про зв’язок рентгенівських променів із фосфоресціюючими мінералами, як-от уран. На кілька днів він помістив кристали урану та мідний хрест на фотопластині у темну скриньку. Проявивши пластину, Беккерель виявив чіткі обриси хреста — в цілковитій темряві уран впливав на неї подібно до сонця!

ШКВАЛ ВІДКРИТТІВ

Тим часом у Канаді Ернест Резерфорд вимірював енергію, що виділяється ураном, у процесі, який отримав назву «радіоактивність». Резерфорд стверджував, що атоми радіоактивних елементів, зокрема урану, радію й торію, містять достатньо енергії, щоб виділяти тепло протягом тисяч років. Так розпочалося XX ядерне століття, яке вписало в історію науки десятки блискучих імен: Марії та П’єра Кюрі, Ірен та Фредеріка Жоліо-Кюрі, Альберта Ейнштейна, Отто Гана, Лізи Мейтнер, Джеймса Чедвіка, Нільса Бора, Етторе Майорани, Енріко Фермі та багатьох інших науковців. Усі вони намагалися зрозуміти, як атоми зберігають і вивільняють цю енергію. І врешті з’ясували, що атоми радіоактивних елементів розпадаються природним чином, перетворюючись у процесі з одного елемента на інший.

«ЗЛАМУВАННЯ» ЯДРА

Такий розпад вказував на те, що існують певні частинки, які «менші за атом». Вчені почали їх шукати і згодом експериментальним шляхом відкрили електрон та атомне ядро. Потім вони «зламали» це ядро. Усередині нього виявилися інші частинки — спочатку протон, а пізніше й супутній йому нейтрон, які в основному й визначають масу атома. Ці ядерні частинки виявилися міцно пов’язані одна з одною. Тому науковці постали перед запитанням: а чи можна розірвати зв’язок між ними? Для цього були винайдені пристрої, які дозволяли їх роз’єднувати і відстежувати процеси, що відбуваються при цьому. Вчені виявили: якщо нейтрон направити в ядро літію, він розщеплює його на три частини — ядро гелію, ядро тритію (ізотоп водню) й додатковий нейтрон.

ВІДКРИТТЯ ТИСКУ

У природі радіоактивність є звичайним явищем. Вона зумовлена розпадом нестабільних атомних ядер, що містяться в гірських породах, воді, повітрі та навіть у живих організмах. Але в ХХ столітті люди навчилися штучно викликати радіоактивність. Спочатку легких елементів, а потім важких. Науковці виявили, що важкі радіоактивні елементи природним чином розпадаються на елементи, розташовані на один-два щаблі нижче в таблиці Менделєєва. Приміром, уран (елемент 92) перетворюється на торій (елемент 90). Та коли вони почали бомбардувати уран нейтронами, його ядро розщеплювалося майже навпіл, перетворюючись на барій (елемент 56). Цей процес отримав назву «поділ ядра».

ЛАНЦЮГОВА РЕАКЦІЯ

Далі було виявлено дивовижне явище: поділ на цьому не зупинявся. Уран випромінював нейтрони, які могли розщеплювати інші ядра урану, вивільняючи нові нейтрони, які, своєю чергою, розщеплювали інші ядра… Спостережуваний лавиноподібний ефект назвали експоненціальною ланцюговою реакцією. У ході неї вивільнялася колосальна енергія, яка раніше утримувала ядро цілим. Вчені змогли цю енергію кількісно оцінити: вона дорівнює масі ядра, помноженій на квадрат швидкості світла. До створення ядерної бомби залишався лише один крок.

ЯДЕРНЕ СТРИМАННЯ — ІДЕЯ НАУКОВЦІВ

У певному символічному сенсі можна сказати, що ядерна зброя та Друга світова війна — однолітки. 1 вересня 1939 року, у день, коли Німеччина вдерлася до Польщі, Нільс Бор опублікував фундаментальну працю про механізм поділу атомних ядер. Шість місяців по тому, у березні 1940 року, Фермі та Паєрлс надіслали листа уряду Великої Британії. Власне, у ньому вперше викладено принцип ядерного стримування, який лежить в основі сучасних військових доктрин.

Висловлюючи надію, що жодна цивілізована нація не скористається ядерним пристроєм, науковці водночас зазначали, що єдиним захистом від ядерної зброї є вона сама. Якщо дві сторони володіють ядерною зброєю, то будь-яка спроба першої завдати ядерного удару неминуче означатиме удар у відповідь, який призведе до знищення обох сторін. Ризик взаємного знищення мусить переважати «вигоду» від застосування ядерної бомби.

ПОГАНА ПОСЛУГА ВІЙНИ

Окрім того, що вона забрала мільйони життів, Друга світова війна зробила людству погану послугу ще в одному сенсі. Якби світ не охопила війна, наступним кроком після відкриття ланцюгової реакції стало б проєктування атомних електростанцій. Але можливість отримати вирішальну перевагу над противником була тоді набагато привабливішою, ніж перспектива виробництва дешевої та загальнодоступної енергії. І в Німеччині фізики-ядерники на повну включилися в процес створення ядерної бомби.

У цій точці історія науки закінчується й починається історія технології виробництва ядерних бомб. На той момент було відомо, що найпростіше та найефективніше розщеплюються ізотоп урану-235 та ізотоп плутонію-239. Вчені зрозуміли, як концентрувати перший і отримувати другий, а також розрахували, яка кількість кожного з них необхідна для виробництва бомб. Вони побудували реактори, в яких можна було керувати ланцюговими реакціями.

МАНГЕТТЕНСЬКИЙ ПРОЄКТ: СПРАВА МОЛОДИХ

Однак існувало суттєве обмеження — швидко створити готову до застосування ядерну зброю тоді навряд чи було до снаги окремій державі. У тієї ж Великої Британії на це вочевидь не вистачало ресурсів — перетворення урану та плутонію на бомбу виявилося поза межами її можливостей. Тому країна делегувала своїх вчених до американського Мангеттенського проєкту. Крім британських і американських науковців, активну участь у ньому взяли й єврейські фахівці, які втекли від нацистів із країн континентальної Європи. Проєкт був не тільки грандіозним за масштабом, а й «молодим». У ньому брали участь 100 000 осіб, середній вік яких становив 24 роки.

«НАЙКОМПАКТНІША» СМЕРТЬ

Конструкція атомних бомб розроблялася з урахуванням особливостей елемента, який використовувався для розщеплення ядра. Перша плутонієва бомба була випробувана в липні 1945 року на полігоні Аламогордо в штаті Нью-Мексико в рамках Мангеттенського проєкту. Через 3 тижні її аналог був скинутий на японське місто Нагасакі, а уранова бомба була застосована в Хіросімі. Кожна бомба мала таку ж руйнівну силу, що й 20 кілотонн вибухової речовини в тротиловому еквіваленті. Світ тоді ще не знав, що зброя такої руйнівної сили може бути настільки «компактною». Американська бомбардувальна авіація складалася всього-на-всього з трьох літаків. Японська влада вирішила, що вони не можуть становити значної загрози, і не вважала за необхідне відправляти людей у сховища.

СПОЧАТКУ ЦІЛЛЮ БУВ ГІТЛЕР…

Коли бомби були скинуті на Японію, Німеччина вже була переможена. США неодноразово й аргументовано доводили необхідність цього кроку. Однак ядерна зброя була застосована поза межами первісної заявленої мети — перемоги над Адольфом Гітлером. І це досі шокує. Тим часом ядерна ланцюгова реакція породила політичну реакцію — розпочалася гонка ядерних озброєнь. Радянський Союз у 1949 році розпочав випробування власних ядерних бомб, а інші ядерні держави звернули увагу на ще потужніші термоядерні бомби.

ЯК ЗНИЩИТИ ЗЕМЛЮ НА «ЗАДНЬОМУ ДВОРІ»

Коли ядерна бомба вибухає, це зупиняє ланцюгову реакцію. Тому їхня потужність обмежена однією мегатонною. Обійти це обмеження можна, використовуючи не ланцюгову реакцію, а термоядерний синтез. Він вивільняє енергію, зіштовхуючи ядра безпосередньо одне з одним — приблизно так, ніби в космосі зіткнулися дві зірки. Це означає, що термоядерні бомби обмежені лише кількістю палива. Тобто, великою мірою, їхня потужність нічим не обмежена. Американський фізик Едвард Теллер проводив свої розрахунки щодо збільшення потужності бомб, доки не подолав рубіж у 10 гігатонн. Він назвав цю бомбу «задній двір», маючи на увазі, що таку бомбу немає сенсу доставляти до цілі — достатньо підірвати її у своєму саду, на задньому дворі, щоб знищити всіх людей на Землі.

НАЙПОТУЖНІША БОМБА В ІСТОРІЇ

Спершу термоядерні бомби було складно підірвати. І роботи в цьому напрямі зупинилися. Доти, доки Фермі не запропонував для «розгону» термоядерного синтезу використовувати ядерну бомбу. Ідею було реалізовано в жовтні 1952 року під час випробувань 10-мегатонної термоядерної бомби «Айві Майк». Солдати, які спостерігали за вибухом з відстані в 30 кілометрів, на мить побачили, як кістки скелетів їхніх товаришів відкидають тіні. Через два роки після цього аналогічну термоядерну бомбу випробували в СРСР. У 1961 році Совєти досягли піку своєї символічної гігантоманії, підірвавши найпотужнішу з будь-коли створених бомб — 50-мегатонну «Цар-бомбу». Вона була занадто важкою для транспортування, тому військового застосування не мала, хоча й могла знищити ціле місто.

НАСКІЛЬКИ НАДІЙНИМ Є ЯДЕРНИЙ «ЗАПОБІЖНИК»

Невідомо, куди б завели людство такі моторошні експерименти. На щастя, у 1963 році було підписано договір про заборону будь-яких ядерних випробувань у всьому світі. І ми бачимо, що принцип гарантованого взаємного знищення досі працює як універсальний «запобіжник». Та чи насправді він є надійним? І яким шляхом розвитку ядерних технологій людство піде далі? Технології поділу та синтезу здатні руйнувати й залякувати. Але також дозволяють людям жити з великими зручностями та комфортом. При цьому слід визнати, що як джерела енергії атомні електростанції мають надто нестабільну історію та погану репутацію. А термоядерні, якщо вірити прогнозам, з’являться не раніше ніж через 20 років.

Оригінальне дослідження: