Вот теперь мы уже знаем достаточно, чтобы представить себе, как работает «фабрика» изотопов. Сама «фабрика» носит название ядерного реактора. В центре его расположены урановые стержни, заключенные в металлические оболочки, чаще всего изготовленные из алюминия. Уран, находящийся в стержнях, обогащен изотопом урана-235. Стержни отделены друг от друга слоями графита, который служит замедлителем нейтронов. В нем сделаны отверстия и для кадмиевых стержней, которые необходимы для регулирования ядерной реакции. Графит обычно окружают слоями отражателя вещества, хорошо отражающего вылетающие нейтроны. Все это окружается дополнительно толстым слоем бетона, сквозь который не может «пробраться» выделяющееся при ядерных реакциях излучение.
Как же работает эта «фабрика»? При закладке урановых стержней кадмиевые стержни введены в графит полностью. Поэтому практически все нейтроны поглощаются ими. Затем стержни медленно поднимают, и начинается реакция деления урана. Но как только появляется значительное количество нейтронов, кадмиевые стержни снова вводятся в графит. Такую регулировку проводят до тех пор, пока так называемый коэффициент размножения нейтронов не становится равным единице: на один израсходованный нейтрон образуется один новый, способный провести новое ядерное деление.
В результате ядерных реакций, протекающих в уране, образуются радиоактивные изотопы многих элементов, расположенных в середине периодической системы. В «осколках» деления можно обнаружить изотопы элементов с порядковыми номерами от 30 (цинк) до 63 (европий). Изотопы других элементов получаются при так называемых реакциях расщепления урана. «Снарядами» в этом случае служат протоны высоких энергий, разогнанные до больших скоростей на ускорителях.
Реактор с мощностью в 1000 киловатт ежесуточно дает около полутора граммов различных осколков деления.
Помимо радиоактивных изотопов, при работе ядерного реактора выделяется громадное количество тепла. В самом деле, известно, что кинетическая энергия разлетающихся осколков деления близка к 3,2·104 эрг. При делении грамма урана, 2,5·1021 ядер 23592U, выделяется энергия, равная 8·1017 эрг, или 22 тысячам киловатт-часов. Поэтому работающий реактор необходимо охлаждать, а воду можно использовать в паровых электрических турбинах. Таким образом, одновременно с производством радиоактивных изотопов ядерный реактор автоматически может служить атомной электростанцией. Конечно, это его главное назначение.
Чудесная «фабрика» не только дает нам радиоактивные изотопы, необходимые в различных областях науки и техники, не только предоставляет возможность получать электроэнергию, но и вдобавок ко всему обеспечивает себя топливом!
При взаимодействии изотопа урана-238 с нейтронами образуется нестабильный изотоп урана с массовым числом 239. Этот изотоп путем последовательного испускания двух бета-частиц превращается в элемент 94, плутоний, который обладает довольно большим периодом полураспада, равным 24 тысячам лет.
Плутоний по способности к процессам деления очень сходен с ураном и может быть использован в виде «горючего» вместо мало распространенного изотопа урана-235. Реактор мощностью в 1000 киловатт при делении одного грамма урана может дать ежесуточно около 2 граммов плутония, то есть с лихвой возместить потери урана-235. Такие реакторы, работающие по принципу воспроизводства ядерного горючего, получили название бриддеров, или размножителей.
Несомненно, у ядерных реакторов, выделяющих громадные количества тепла, позволяющих получать радиоактивные изотопы и воспроизводящих ядерное горючее, большая будущность в мирном использовании атомной энергии.
Век искусственных элементов
Авторы открытия итальянцы Перье, Сегре и Каккьянуоти работали в небольшом университетском городке Беркли, в Соединенных Штатах. В циклотроне в течение нескольких месяцев облучалась ядрами тяжелого водорода небольшая молибденовая пластинка. С ней было выполнено несколько тщательных опытов. Ученые надеялись обнаружить какой-нибудь новый радиоактивный изотоп. Их надежды оправдались. Счетчик зафиксировал распад неизвестных изотопов. Со всей возможной быстротой они были переведены в раствор и подвергнуты пристальному изучению. Скоро выяснилось, что изотопы принадлежат новому, не встречающемуся в природе элементу.
Рожденный в солнечной Калифорнии, первый искусственный элемент оказался настоящим южанином. Его атомы излучали горячее радиоактивное дыхание. Это было своеобразным предупреждением о грозных силах, скрытых внутри атомного ядра.
Новый элемент быстро распадался, и потребовалась действительно виртуозная техника, чтобы провести точные радиохимические опыты. По свойствам первый искусственный элемент напоминал рений и марганец. И так как он образовался при облучении атомов молибдена с зарядом ядра, равным 42 ядрам тяжелого водорода с одним положительным зарядом, не оставалось сомнений, что, наконец, получен элемент 43 неуловимый экамарганец Менделеева.