Вся энергия, как мы ее знаем, проявляется через движение или изменение физического или химического состояния материи, или и то, и другое, хотя эти изменения и движения могут быть настолько медленными, что остаются незаметными. Как заметил древнегреческий философ Гераклит более двух тысяч лет назад, все вещи находятся в постоянном состоянии потока, и этот поток обусловлен вечным превращением материи в энергию и энергии в материю повсюду на огромных просторах материальной вселенной, до ее самых внешних и самых внутренних пределов, если таковые пределы вообще существуют.
Каждое проявление энергии включает либо материю в движении, либо изменение ее физического состояния, что мы называем физической энергией; изменение химического состава материи, что мы знаем как химическую энергию; или комбинацию того и другого. Физическая энергия может быть преобразована в химическую энергию и наоборот. Например, тепло и свет — это формы физической энергии, каждая из которых состоит из определенного диапазона волн определенной длины в бурных, регулярных, ритмичных колебаниях. Таинственный механизм в растении, известный как фотосинтез, использует энергию тепла и света солнца для создания сложных веществ, таких как сахара, крахмалы и целлюлоза, из более простых веществ, таких как углекислый газ и вода, преобразуя физическую энергию, тепло и свет в химическую энергию, необходимую для удержания вместе сложных веществ, которые производит растение. Когда мы сжигаем целлюлозу в виде дерева или угля (уголь — это окаменевшее дерево), химическая энергия снова преобразуется в физическую энергию в форме первоначального тепла и света. Как мы видели, химическая энергия, запасенная в растении, проявлялась в увеличении веса растения по сравнению с весом его первоначальных составляющих. Точно так же высвобождение энергии проявляется через потерю общего веса вещества растения.
Таким образом, можно видеть, что ни материя, ни энергия не могут быть созданы. Все, что мы можем сделать, — это манипулировать определенными типами материи таким образом, чтобы высвободить ту энергию, которая существовала в той или иной форме с начала времен. Вся энергия, которую мы использовали на земле до наступления атомной эры, изначально исходила от солнца. Уголь, как уже было сказано, — это окаменевшее растение, которое миллионы лет назад, до появления человека на земле, запасло энергию солнца в форме химической энергии. Нефть происходит из органического вещества, которое также запасло свет и тепло солнца в форме химической энергии. Энергия воды и энергия ветра также возможны благодаря теплу солнца, поскольку вся вода замерзла бы и никакие ветры не дули бы, если бы не тепловая энергия солнца, поддерживающая движение воды и воздуха, последнее — путем создания разницы в температуре воздушных масс.
Существуют две формы энергии, которыми мы пользуемся и которые не обусловлены непосредственно солнечным излучением — гравитация и магнетизм, — но единственный способ, которым мы можем использовать их, — это применение энергии, полученной от тепла солнца. Используя Ниагару или строя великие плотины, мы используем падение воды из-за гравитации. Но, как я уже отмечал, без тепла солнца вода не могла бы течь. Для производства электричества мы начинаем с химической энергии в угле или нефти, которая сначала преобразуется в тепловую энергию, затем в механическую энергию и, наконец, через посредство магнетизма, в электрическую энергию.
Излучения солнца, гигантских звезд, в миллионы раз больших, чем солнце, исходят из совершенно другого источника, величайшего источника энергии во вселенной, известного как атомная или, более правильно, ядерная энергия. Но даже здесь энергия приходит в результате трансформации материи. Разница между ядерной энергией и химической энергией двояка. В химической энергии, такой как сжигание угля, материя, теряемая в процессе, исходит из внешней оболочки атомов, и количество потерянной материи настолько мало, что его невозможно взвесить непосредственно никакими человеческими весами или другими устройствами. В ядерной энергии, с другой стороны, материя, теряемая при превращении в энергию, исходит из ядра, тяжелого внутреннего центра атома, и количество потерянной материи в миллионы раз больше, чем в угле, достаточно большое, чтобы его можно было взвесить.
Атом — это наименьшая единица любого из элементов, из которых состоит физическая вселенная. Атомы настолько малы, что если бы капля воды была увеличена до размеров земли, атомы в этой капле были бы меньше апельсинов.
Структура атомов подобна миниатюрной солнечной системе, с тяжелым ядром в центре в качестве солнца и гораздо меньшими телами, вращающимися вокруг него в качестве планет. Ядро состоит из двух типов частиц: протонов, несущих положительный электрический заряд, и нейтронов, электрически нейтральных. Планеты, вращающиеся вокруг ядра, — это электроны, единицы отрицательного электричества, которые имеют массу около одной двухтысячной массы протона или нейтрона. Количество протонов в ядре определяет химическую природу элемента, а также количество планетарных электронов, при этом каждый протон электрически сбалансирован электроном во внешних оболочках атома. Общее количество протонов и нейтронов в ядре известно как массовое число, которое очень близко к атомному весу элемента, но не совсем равно ему. Протоны и нейтроны известны под общим названием «нуклоны».
Есть два важных факта, которые нужно постоянно помнить о протонах и нейтронах. Первый заключается в том, что они взаимозаменяемы. Протон при определенных условиях теряет свой положительный заряд, испуская положительный электрон (позитрон), и таким образом становится нейтроном. Точно так же нейтрон при возбуждении испускает отрицательный электрон и становится протоном. Как мы увидим, последний процесс используется при трансмутации неделящегося урана в плутоний, а тория — в делящийся уран-233. Трансмутация всех других элементов, извечная мечта алхимиков, становится возможной благодаря взаимозаменяемости протонов на нейтроны и наоборот.
Второй важнейший факт о протонах и нейтронах, фундаментальный для понимания атомной энергии, заключается в том, что каждый протон и нейтрон в ядрах элементов весит меньше, чем в свободном состоянии, причем потеря веса равна энергии, связывающей нуклоны. Эта потеря становится прогрессивно больше для элементов в первой половине периодической таблицы, достигая своего максимума в ядре серебра, элемента 47. После этого потеря становится прогрессивно меньше. Следовательно, если бы мы объединили (синтезировали) два элемента из первой половины периодической таблицы, протоны и нейтроны потеряли бы вес, если бы вновь образованное ядро не было тяжелее ядра серебра, но приобрели бы вес, если бы новое ядро, таким образом сформированное, было тяжелее серебра. Обратное верно для элементов во второй половине периодической таблицы: протоны и нейтроны теряют вес, когда тяжелый элемент расщепляется на два более легких, и приобретают вес, если два элемента синтезируются в один.
Поскольку каждая потеря массы проявляется высвобождением энергии, можно видеть, что для получения энергии из ядра атома требуется либо синтез двух элементов из первой половины периодической таблицы, либо деление элемента из второй половины. Однако с практической точки зрения синтез возможен только с двумя изотопами (близнецами) водорода, в начале периодической таблицы, в то время как деление возможно только с близнецами урана, U-233 и U-235, и с плутонием, в нижней части таблицы.
Диаметр атома в 100 000 раз больше диаметра ядра. Это означает, что атом — это по большей части пустое пространство, объем атома в 500 000 миллиардов раз превышает объем ядра. Таким образом, можно видеть, что большая часть материи во вселенной сконцентрирована в ядрах атомов. Плотность материи в ядре такова, что десятицентовая монета весила бы 600 миллионов тонн, если бы ее атомы были упакованы так же плотно, как протоны и нейтроны в ядре.
Атомы элементов (которых в природе девяносто два, плюс еще шесть искусственно созданных элементов) имеют близнецов, тройняшек, четверняшек и т. д., известных как изотопы. Ядра этих близнецов содержат одинаковое количество протонов и поэтому обладают одинаковыми химическими свойствами. Однако они различаются количеством нейтронов в своих ядрах и поэтому имеют разные атомные веса. Например, обычный атом водорода имеет ядро из одного протона. Изотоп водорода, дейтерий, имеет в своем ядре один протон плюс один нейтрон. Таким образом, он в два раза тяжелее обычного водорода. Второй изотоп водорода, тритий, имеет в своем ядре один протон и два нейтрона и, следовательно, атомную массу три. С другой стороны, ядро, содержащее два протона и один нейтрон, — это уже не водород, а гелий, также с атомной массой три.
Существуют сотни изотопов, некоторые из которых встречаются в природе, другие производятся искусственно путем стрельбы атомными пулями, такими как нейтроны, в ядра атомов различных элементов. Природный изотоп урана, девяносто второго и последнего из природных элементов, содержит в своем ядре 92 протона и 143 нейтрона, отсюда и его название U-235, один из двух элементов атомной бомбы. Самый распространенный изотоп урана имеет в своем ядре 92 протона и 146 нейтронов и поэтому известен как U-238. Он в 140 раз более распространен, чем U-235, но не может быть использован для высвобождения атомной энергии.
Атомная, или, скорее, ядерная энергия — это космическая сила, которая связывает вместе протоны и нейтроны в ядре. Это сила в миллионы раз больше, чем сила электрического отталкивания, существующая в ядре из-за того, что все протоны имеют одинаковые заряды. Эта сила, известная как кулоновская сила, огромна и изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния, разделяющего положительно заряженные частицы. Профессор Фредерик Содди, известный английский физик, подсчитал, что два грамма (меньше веса десятицентовой монеты) протонов, помещенных на противоположные полюса земли, отталкивались бы друг от друга с силой в двадцать шесть тонн. И все же ядерная сила в миллионы раз больше кулоновской силы. Эта сила действует как космический цемент, который удерживает материальную вселенную вместе, и отвечает за огромную плотность материи в ядре.
Мы пока еще очень мало знаем о фундаментальной природе этой силы, но мы можем измерить ее величину с помощью знаменитого математического уравнения, первоначально представленного доктором Эйнштейном в его специальной теории относительности в 1905 году. Эта формула, одно из величайших интеллектуальных достижений человека, вместе с открытием радиоактивных элементов Анри Беккерелем и Пьером и Марией Кюри, предоставила первоначальные ключи, а также ключ к открытию и обузданию ядерной энергии.
Формула Эйнштейна E = mc² показала, что материя и энергия — это два разных проявления одной и той же космической сущности, а не две разные сущности, как считалось ранее. Она привела к революционной концепции о том, что материя, вместо того чтобы быть неизменной, является энергией в замороженном состоянии, в то время как, наоборот, энергия — это материя в жидком состоянии. Уравнение показало, что любой один грамм материи эквивалентен в эргах (малых единицах энергии) квадрату скорости света в сантиметрах в секунду — а именно 900 миллиардам миллиардов эрг. В более привычных терминах это означает, что один грамм материи представляет собой 25 000 000 киловатт-часов энергии в замороженном состоянии. Это равно энергии, высвобождаемой при сжигании трех миллиардов граммов (трех тысяч тонн) угля.
Высвобождение энергии в любой форме — химической, электрической или ядерной — включает потерю эквивалентного количества массы в соответствии с формулой Эйнштейна. Когда 3000 метрических тонн угля сгорают до золы, остаточная зола и газообразные продукты весят на один грамм меньше, чем 3000 тонн; то есть одна трехмиллиардная часть первоначальной массы была преобразована в энергию. То же самое происходит при высвобождении ядерной энергии путем расщепления или синтеза (как будет объяснено позже) ядер определенных элементов. Разница лишь в величине. При высвобождении химической энергии путем сжигания угля энергия исходит от очень малой потери массы, возникающей в результате перегруппировки электронов на поверхности атомов. Ядро атомов угля никак не затрагивается, оставаясь точно таким же, как и прежде. Количество массы, теряемой поверхностными электронами, составляет одну тридцатимиллионную долю одного процента.
С другой стороны, ядерная энергия включает жизненно важные изменения в самом атомном ядре, с последующей потерей до одной десятой — почти восьми десятых одного процента первоначальной массы ядер. Это означает, что от одного до почти восьми граммов на тысячу граммов высвобождаются в форме энергии, по сравнению с только одним граммом на три миллиарда граммов, высвобождаемым при сжигании угля. Другими словами, количество ядерной энергии, высвобождаемой при трансмутации атомных ядер, в 3 000 000–24 000 000 раз больше, чем химическая энергия, высвобождаемая при сжигании равного количества угля. В пересчете на тротил эта цифра в семь раз больше, чем для угля, поскольку энергия тротила, хотя и высвобождается с взрывной скоростью, составляет около одной седьмой общей энергетической емкости эквивалентного количества угля. Это означает, что ядерная энергия от одного килограмма урана-235 или плутония при высвобождении с взрывной скоростью равна взрыву двадцати тысяч тонн тротила.
Ядерную энергию можно использовать двумя диаметрально противоположными способами. Один из них — деление, то есть расщепление ядер тяжелейших химических элементов на два неравных фрагмента, состоящих из ядер двух более легких элементов. Другой — синтез, то есть объединение или сплавление двух ядер легчайших элементов в одно ядро более тяжелого элемента. В обоих случаях образующиеся элементы легче исходных ядер. Потеря массы в каждом из случаев проявляется в высвобождении колоссального количества ядерной энергии.
Когда два легких атома объединяются для образования более тяжелого атома, вес последнего оказывается меньше суммарного веса двух легких атомов. Если бы тяжелый атом можно было снова расщепить на два легких, последние восстановили бы свой первоначальный вес. Однако, как объяснялось ранее, это верно только для легких элементов, таких как водород, дейтерий и тритий, находящихся в первой половине периодической таблицы элементов. Обратное верно для более тяжелых элементов второй половины таблицы. Например, если бы криптон и барий, элементы 36 и 56, были объединены для образования урана, элемента 92, протоны и нейтроны в ядре урана весили бы каждый примерно на 0,1 процента больше, чем они весили в ядрах криптона и бария. Таким образом, видно, что энергию можно получить либо за счет потери массы в результате синтеза двух легких элементов, либо за счет аналогичной потери массы в результате деления одного тяжелого атома на два более легких.
При синтезе двух более легких атомов сложение единицы и единицы дает меньше двух, и все же половина от двух будет больше единицы. В случае тяжелых элементов сложение единицы и единицы дает больше двух, однако половина от двух составляет меньше единицы. Это кажущийся парадокс атомной энергии.
Известно три делящихся элемента. Только один из них встречается в природе: изотоп урана 235 (U-235). Два других созданы искусственно. Один из них — плутоний, получаемый путем трансмутации из неделящегося U-238 с помощью нейтронов, путем добавления одного нейтрона к 146, присутствующим в ядре, что приводит к превращению двух из 147 нейтронов в протоны, создавая таким образом элемент с ядром из 94 протонов и 145 нейтронов. Второй искусственный элемент (насколько известно, еще не получивший широкого применения) — это изотоп урана 233 (92 протона и 141 нейтрон), созданный из элемента тория (90 протонов, 142 нейтрона) тем же методом, который используется при производстве плутония.
Когда ядро любого из этих элементов подвергается делению, каждый протон и нейтрон в двух образовавшихся фрагментах весит на одну десятую процента меньше, чем он весил в исходном ядре. Например, если расщепить атомы U-235 общим весом 1000 граммов, суммарный вес фрагментов составит 999 граммов. Один недостающий грамм высвобождается в виде 25 000 000 киловатт-часов энергии, что в эквиваленте взрывчатого вещества равно 20 000 тонн тротила. Но исходное количество протонов и нейтронов в 1000 граммах не меняется.
Процесс деления, эквивалентный «сжиганию» ядерного топлива, поддерживается тем, что известно как цепная реакция. Пулями, используемыми для расщепления, являются нейтроны, которые, поскольку они не имеют электрического заряда, могут проникать через сильно укрепленную электрическую стену, окружающую положительно заряженные ядра. Подобно тому, как угольному костру нужен кислород для поддержания горения, ядерному огню нужны нейтроны для его поддержания.
Нейтроны не существуют в свободном виде в природе, все они плотно заперты внутри атомных ядер. Однако они высвобождаются из ядер трех делящихся элементов в процессе саморазмножения в ходе цепной реакции. Процесс начинается, когда космический луч из открытого космоса или блуждающий нейтрон ударяет в одно ядро и расщепляет его. Первый расщепленный таким образом атом высвобождает в среднем два нейтрона, которые расщепляют еще два ядра, которые, в свою очередь, высвобождают еще четыре нейтрона, и так далее. Реакция протекает настолько быстро, что за короткое время высвобождаются триллионы нейтронов, расщепляющих триллионы ядер. По мере расщепления каждого ядра оно теряет массу, которая преобразуется в огромную энергию.
Существует два типа цепных реакций: управляемая и неуправляемая. Управляемая реакция аналогична сжиганию бензина в автомобильном двигателе. Расщепляющие атомы пули — нейтроны — сначала замедляются со скоростей более десяти тысяч миль в секунду до менее одной мили в секунду, проходя через замедлитель, прежде чем они достигнут атомов, на которые они нацелены. «Убийцы» нейтронов — материалы, поглощающие нейтроны в больших количествах, — держат нейтроны, высвобождаемые в любой момент времени, под полным контролем в медленном, но устойчивом ядерном огне.