Книга Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Конечно же выяснить, какой уровень фонового излучения является допустимым для человека экспериментальным путем, невозможно, однако ученые полагают, что человек может переносить излучение около 500 бэр в год. Среди людей, работающих с радиоактивными веществами, каждую неделю проводятся проверки с целью выяснить, не превысила ли доза поглощенного ими излучения дозволенной безопасной нормы (предположительно, в течение короткого времени, а также в случае облучения отдельных участков тела организм может выдерживать излучение в 500 бэр и более). Для контроля используются, например, специальные значки, прикрепляемые на грудь, которые состоят из полосок фотопленки, помешенной за различными фильтрами, выделяющими только «нужное» излучение. Чем большую дозу излучения получил человек, тем сильнее почернеет пленка.

Излучение в 100 рентген за несколько дней убивает практически любого млекопитающего, однако для полной стерилизации пищи от всех микроорганизмов необходимо излучение в несколько миллионов рентген. Столь мощное излучение в результате ядерных испытаний получить не удалось, а все взрывы ядерных бомб за всю историю атомного оружия подняли уровень фонового излучения на очень маленький процент.

Однако уровень фонового излучения все-таки повысился, поэтому под давлением общественного мнения ядерным державам пришлось выработать соглашение о запрете ядерных испытаний, приводящих к повышению уровня фонового излучения.

Наибольшую опасность представляет термоядерное оружие. Во время взрыва атомной бомбы осколки деления разлетаются не очень далеко и представляют опасность (пусть и страшную) лишь на относительно небольшом расстоянии от эпицентра взрыва. Водородная же бомба намного мощнее атомной, и осколки деления ее атомного взрывателя поднимаются взрывной волной высоко в атмосферу, где могут циркулировать в течение нескольких лет, медленно оседая на всей площади планеты. Наибольшую радиационную опасность для человечества представляет именно выпадение радиоактивных осадков (термин был придуман в 1945 году после взрыва первых атомных бомб).

В опасности выпадения радиоактивных осадков убедились сразу после испытания первой большой водородной бомбы на Маршалловых островах 1 марта 1954 года, когда зараженными оказались 12 500 кв. км.

Самыми опасными осколками деления являются стронций–90 и цезий–137. Период полураспада стронция–90 — 28 дней, а уровень его радиации остается опасным более 100 лет. Так как стронций по своим химическим свойствам идентичен кальцию, стронций–90 попадает в богатое кальцием молоко животных, питающихся зараженной растительностью. Кальций входит в состав костей, и у детей, употребляющих зараженное стронцием молоко, накапливается в них стронций–90. Обмен атомов в костях идет относительно медленно, поэтому у стронция–90 очень длинный период биологического полураспада (то есть даже если тело защищено от дальнейшего заражения, организму понадобится много времени для выведения и половины зараженных атомов). Кроме того, в костях стронций–90 находится в близком контакте с производящими кровь тканями, что также очень опасно.

Период полураспада цезия–137 составляет 30 лет, и он также является опасным осколком деления. Цезий–137 накапливается в мягких тканях, и, хотя период его биологического полураспада короче, атомы цезия–137 испускают внутри тела гамма-лучи, что наносит организму значительные повреждения.

Термоядерная энергия

Понятно, что интерес к процессу ядерного синтеза вызван не только его высокой разрушающей способностью. Если научиться контролировать скорость протекания реакции синтеза, то в обозримом будущем у человечества не возникнет недостатка в энергии.

Преимущество ядерного синтеза перед делением ядра заключается прежде всего в топливе. Для реакции деления ядра необходимы встречающиеся довольно редко металлы — уран и торий, в то время как топлива для ядерного синтеза — водорода — предостаточно. Для человечества было бы очень удобно, если для реакций ядерного синтеза требовался бы наиболее часто встречающийся изотоп водорода–1. К сожалению, для того чтобы реакция синтеза с участием водорода–1 шла с достаточной для полезного действия скоростью, необходимо нагреть его до неимоверно высокой температуры. Даже при температуре внутри Солнца водород вступает в реакции синтеза очень медленно. Излучение Солнца поддерживается на высоком уровне исключительно из-за огромного количества участвующего в реакции водорода. (Более того, если бы скорость реакции синтеза водорода–1 была выше, Солнце и все остальные звезды взорвались бы.)

Водород–2 (дейтерий) вступает в реакцию синтеза при более низкой температуре, а водород–3 — при еще более низкой. Однако водород–3 очень нестабилен, поэтому нужное его количество собрать сложно. Значит, в качестве топлива остается один лишь водород–2.

Реакция слияния двух атомов дейтерия может с равной вероятностью идти по двум направлениям:

H2 + H2 → He3 + n1 и

H2 + H2 → H3 + H1.

В последнем случае образующийся Н3 быстро реагирует с Н2:

Н3 + Н2 → Не4 + n1.

Поэтому реакция в конечном счете выглядит так:

5Н2 → Не3 + Не4 + Н1 + 2n1.

Энергия, образующаяся в результате слияния ядер пяти атомов дейтерия (назовем их «квинтетом дейтерия»), равна 24,8 Мэв.

А так как 1 Мэв равен 1,6∙10–6 эрг, в результате слияния квинтета дейтерия выделяется 4,0∙10”5 эрг.

В одной грамм-молекуле водорода–2 содержится 6,023∙1028 атомов. Так как грамм-молекулярный вес водорода–2 равен 2 г, в 1 г водорода–2 содержится 3,012∙1028 атомов. Разделив это число на 5, получаем 6,023∙1022 квинтетов дейтерия в 1 г водорода–2. Общая энергия, выделяемая в результате полного синтеза 1 г водорода–2, равна 2,4∙1018 эрг. В одной килокалории 4,186∙1010 эрг, значит, в результате полного синтеза 1 г водорода–2 выделяется 5,7∙107 килокалорий.

Из 7000 атомов водорода только один является атомом водорода–2. При условии, что этот единственный атом весит в два раза больше, чем остальные 6999, в 1 л воды, весящем 1000 г, содержится 125 г водорода, 43 мг которых являются атомами водорода–2. Получается, что в результате синтеза всего содержащегося в 1 л воды водорода–2 высвобождается 2,5∙106 килокалорий.

Это означает, что в результате синтеза водорода, содержащегося в 1 л воды, выделяется столько же энергии, сколько выделяется при сгорании 300 л бензина.

Учитывая огромные размеры Мирового океана (из вод которого можно легко получать водород–2), запасы водорода–2 на Земле составляют около 80 000 куб. км. Из этого количества водорода–2 можно получить столько же энергии, сколько выделяется при сгорании бензина, объем которого в 450 раз превышает объем земного шара.