Глава 10 ЯДЕРНЫЕ И РАДИАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Общеизвестно, что атомная энергия применяется для производства электричества. На атомных станциях тепло, выделившееся в активной зоне реактора, передается пару, который вращает турбогенератор, производящий электрическую энергию. Ядерные энергетические установки ледоколов вырабатывают электроэнергию для работы двигателей, вращающих гребные винты.

             Но неужели огромная энергия, сокрытая в атоме, не находит иного применения? Если кратко: давно нашла, и трудно назвать сферу человеческой деятельности, в которой она не использовалась бы. Факты, о которых пойдет речь, не у всех на слуху, но они позволяют раскрыть поистине огромную роль атомной энергии и радиации в жизни человечества.

            Атом – это не только электричество, но и решение множества насущных проблем. Глубокие знания, уважительное и серьезное отношение к мощи атома делает его помощником человека в профилактике, диагностировании и лечении самых разных заболеваний, получении материалов с новыми свойствами, изучении химических и биологических процессов, исследовании нашей родной планеты, сельскохозяйственной деятельности… Примеров применения атомной энергии множество, и в этой главе удастся привести лишь ряд самых ярких и необычных их них.

            Начать стоит с небольшого напоминания. Во второй главе уже заходила речь о двух важных свойствах радиации: проникающей и ионизирующей способности. Первая позволяет ей забираться вглубь даже самых прочных материалов, причем гамма-излучение является рекордсменом в этом отношении: оно способно проникать в различные предметы гораздо глубже альфа- и бета-излучения. По пути сквозь вещество радиация отдает его атомам и молекулам свою энергию. Некоторые частицы не могут переварить такой щедрый «подарок» и теряют электроны, превращаясь в чрезвычайно активные частицы (радикалы, ионы). Из-за высокой активности они вовлекаются в разнообразные химические реакции. Надо сказать, что эти процессы редко приносят пользу и чаще всего имеют деструктивный характер.

            И как это использовать, если радиация портит вещи? Что ж, можно попробовать облучать разные объекты, и посмотреть, что из этого выйдет.

Облучение воды

Взять, к примеру, воду. Только не чистую питьевую, а загрязненную вредными веществами, микроорганизмами и продуктами их деятельности. Россиянам и жителям Европы с такой приходится встречаться редко, а вот для стран Африки это обычное дело. Более того, уже сегодня 1,4 миллиарда человек не имеет доступа к чистой воде в достаточном количестве, и это число будет только увеличиваться. Что это означает? Болезни, снижение продолжительности и качества жизни. Считается, что за год в мире из-за загрязнения и дефицита воды умирает несколько миллионов человек. Вода нужна людям в достаточном количестве, и именно чистая.  Как же быть, как убрать из загрязненной воды токсичные вещества и микробы? Один из вариантов – облучение. Химические реакции, протекающие в облучаемой воде, приводят к разложению вредных органических веществ, в том числе продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, и убивают их самих. Снижается цветность, улучшаются вкусовые показатели, и самое главное – происходит обеззараживание воды. При этом радиационная обработка дешевле озонирования, а по сравнению с хлорированием не оставляет в воде токсичных веществ.

Аналогично можно обойтись и со сбросами промышленных, сельскохозяйственных, животноводческих и коммунальных предприятий. Что только не сбрасывается в водоемы! Сточные воды требуют разрушения токсичной органики, удаления яиц глистов и дезинфекции. Решить эту задачу позволяет облучение, причем оно демонстрирует еще большую эффективность в комплексе с обычными методами обработки сточных вод. К слову, радиационная обработка газовых выбросов, в частности дымовых газов электростанций, тоже может найти свое применение. Учитывая, что зачастую вредные сбросы и выбросы поступают в окружающую среду практически не очищенными, применение облучения позволит достаточно дешево решить часть проблем и улучшить состояние окружающей среды.

Итак, с помощью радиационной обработки загрязненной пресной воды можно получить чистую воду для питья. А вот использовать ее для полива полей слишком дорого. Между тем, в той же Африке земледелие невозможно без орошения, а запасы пресной воды минимальны. Где же ее взять? Рядом море, но соленая вода убьет растения. Значит, морскую воду нужно опреснить. Это можно сделать на атомной электростанции, испарив соленую воду за счет избыточного тепла и, затем, сконденсировав ее. Пить такую воду не стоит, при длительном употреблении она вымывает соли из организма и вызывает ряд заболеваний, но поливать ей зерновые культуры, овощи и фрукты вполне можно.

Облучение продуктов

Следующая проблема, которая ожидает человечество в XXI веке – это дефицит продовольствия. Голод и недоедание также приводят к развитию болезней и ранней смерти. При этом значительная часть продуктов портится, не доходя до потребителя. От трети до двух третей урожая в небогатых странах просто сгнивает при хранении и транспортировке. Да и качество пищевых продуктов, особенно рыбы и мяса, попадающих на наш стол, часто вызывает сомнение. Они могут содержать вредные микроорганизмы, а при сегодняшних объемах выпуска и потребления следить за этим становится все сложнее. Как же решить проблему? И снова на помощь приходит радиация. Нобелевский лауреат, открывший несколько радиоактивных элементов, Глен Сиборг как-то сказал: «Мы не уделяем надлежащего внимания способности радиации удлинять срок хранения пищевых продуктов и уменьшать потери, вызванные вредителями и прорастанием». И это чистая правда! Но как преодолеть страх перед облученной пищей? В принципе, этот барьер является чисто психологическим, и он не слишком-то обоснован. На самом деле при радиационной обработке питательные свойства продуктов ухудшаются не более, чем при обычной, тепловой стерилизации. Что же касается образования токсичных веществ, то и здесь нет оснований для беспокойства. Радиоактивные вещества в пище не образуются, поскольку энергии применяемого излучения недостаточно для превращения атомов, составляющих пищевой продукт, из стабильных в радиоактивные. Этой энергии хватает лишь для генерации химически активных частиц (радикалов, ионов), которые убивают болезнетворные организмы и стерилизуют продукт, увеличивая срок его хранения. Обработанные продукты безвредны, и это доказано в ходе экспериментов на животных и людях-добровольцах. Если же сочетать радиационную и термическую стерилизацию, то можно одновременно снизить дозу радиации и время тепловой обработки. Экономия налицо. Радиационная обработка продуктов применяется довольно давно во многих странах мира; например, индийские специи таят в себе множество микроорганизмов, которые способны привести к тяжелым заболеваниям, поэтому их облучают.

Облучение в медицине

Стерилизовать радиацией можно медицинские инструменты и принадлежности (системы переливания крови, шприцы, иглы и др.), лекарственные препараты и имплантаты. Это особенно важная задача, ведь вероятность занесения инфекции при медицинских процедурах резко возрастает по сравнению с обычной жизнью. Никому не хочется, чтобы в его организме «копались» грязными инструментами и вживляли имплантаты, содержащие микробы. Облучение позволяет сделать их абсолютно чистыми, без каких-либо побочных эффектов для здоровья. Это широко распространенный метод стерилизации, который применяют даже для консервации биологических трансплантатов при создании «банков тканей», необходимых в случае массового поражения людей при стихийных бедствиях, катастрофах, военных конфликтах, терактах.

С медицинской точки зрения облучение практически незаменимо при лечении многих заболеваний, особенно онкологических. Оказывается, что губительному действию радиации наиболее подвержены клетки, находящиеся в процессе деления. Поскольку раковые клетки делятся намного чаще обычных, то направляя излучение на опухоль, ее «выжигают», практически не повреждая здоровые ткани. Опухоли глубокого залегания, расположенные внутри тела, лечат с помощью гамма- и рентгеновского излучения, которые отличаются большой проникающей способностью. Пучки разогнанных до высоких скоростей электронов годятся для уничтожения очагов болезни, находящихся на поверхности тела. Ускоренные протоны, отличающиеся интересной особенностью терять наибольшую часть энергии уже в конце своего пути, подходят для терапии небольших опухолей в головном мозге.

Обычно для лучевой терапии используют специальные сложные устройства – источники излучения: рентгеновские и гамма-аппараты, ускорители заряженных частиц. Но иногда очаг болезни облучают, накладывая на больное место или даже хирургически вводя в опухоль специальные капсулы с радиоактивными веществами. Ионизирующее излучение, испускаемое такими капсулами, и оказывает лечебное действие. Этот подход получил в медицине название «брахитерапия».

Изначально в качестве источника радиации для лечения больных использовался радий, открытый Марией и Пьером Кюри. Но он был достаточно дорогим элементом: процесс выделения радия из урановой руды очень трудоемок, поэтому лечение обходилось недешево. Ситуация улучшилась, когда научились получать искусственные радиоактивные изотопы, которые можно использовать вместо него: золото-198, кобальт-60, йод-125, фосфор-32 и др.

Лучевая терапия намного легче переносится пациентами по сравнению с химиотерапией, и оставляет гораздо меньше негативных последствий. Сейчас эта область медицины активно развивается и совершенствуется.

В свое время радиация спасла мумию египетского фараона Рамзеса II от разложения. В 1974 году в каирском музее, где она хранится, обнаружили, что ценный экспонат стал… портиться. Для предотвращения фатальных процессов мумию срочно самолетом перевезли во Францию, для чего оформили современный египетский паспорт. Гражданин Египта, по профессии – король (скончавшийся) был торжественно встречен в аэропорту Парижа со всеми возможными почестями и музыкой. Осмотр «пациента» выявил заражение бактериями, плесенью и даже червячками. Стерилизация мумии радиацией, а именно, гамма-излучением позволила извести опасные микроорганизмы и сохранить экспонат каирского музея.

Облучение семян и вредителей

Что еще можно облучить с пользой для себя? Посевные материалы с целью  их избавления от вредных насекомых, бактерий и предотвращения преждевременного прорастания, что позволяет значительно снизить потери семян при хранении. В ряде случаев после облучения даже увеличивалась всхожесть семян, хотя и незначительно. Еще одно интересное применение радиации – получение мутантных сортов растений, более устойчивых к невзгодам окружающей среды. Так были выведены более урожайные сорта риса и хлопка, многих других растений. Пугаться слова «мутантный» не стоит – эти растения не ходят за людьми в темноте и не едят их, скорее наоборот. Кстати, от их употребления в пищу пока никто не умер.

Создавая более урожайные и устойчивые к внешним воздействиям сорта, мы решаем проблему снабжения человечества продовольствием. Главное, чтобы вредители не сгубили наши цветущие поля на корню. Вопрос борьбы с насекомыми стоит остро еще и потому, что они являются разносчиками болезней – можно вспомнить, хотя бы, того же малярийного комара. Но как снизить популяцию насекомых до безопасного уровня? Ответ до смешного прост. Необходимо при помощи радиации стерилизовать самцов, чтобы они не могли производить потомство, и выпустить их на свободу. Самцы остаются вполне активными, но… «недееспособными». Так уничтожили мясную муху в США и средиземноморскую плодовую муху в США, Мексике, Чили и Японии. Сейчас наступление ведется на малярийных комаров.

Облучение материалов

Огромные возможности открыла радиационная обработка материалов. Перечислить все возможные примеры будет затруднительно, да это и не нужно. Важно, что действие радиации не всегда несет вред. Оно позволяет улучшить свойства целого ряда материалов, среди которых полимеры, древесина, текстиль, кожа…

Например, облучение готовых электрокабелей гамма-квантами или электронными пучками позволяет увеличить их термостойкость и прочность. При нынешнем уровне потребления электроэнергии и необходимости в ее непрерывной подаче важность этих показателей трудно переоценить: известно, что большинство пожаров и отключений электричества происходит именно из-за повреждения электропроводки.

Другой пример – вулканизация резины. Обычно для этого используют серу, но существует и радиационная вулканизация, позволяющая производить, к примеру, более износостойкие и долговечные шины. В Японии этой экологически чистой технологией пользуются практически все изготовители шин.

Облучение сверхчистого кремния в ядерном реакторе позволяет упростить производство полупроводниковых материалов, а также избежать побочных загрязнений, характерных для традиционных методов их получения. Такие высококачественные полупроводники открывают новые перспективы в создании «силовых» элементов и сверхсложных систем микроэлектроники.

Быстро и надежно

Стоит на минутку прерваться, чтобы еще раз успокоить сомневающихся. Радиационная обработка, конечно же, не рассматривается как панацея от любых проблем. Тем не менее, нельзя не признать, что облучение позволяет решить множество задач более дешевым, простым, легко автоматизируемым и контролируемым способом по сравнению с традиционными технологиями. Безусловно, в каждом конкретном случае необходимо проводить предварительные исследования, но совершенно недальновидно отказываться от тех уникальных возможностей, которые предоставляет радиация. Тем же, кто опасается последствий использования облученных материалов – воды, продуктов, промышленных и медицинских изделий можно еще раз напомнить: в процессе облучения радиоактивные вещества в них образоваться просто не могут, недостаточно энергии. Сами облучательные установки герметичны, то есть радиоактивные атомы в них надежно запечатаны, и загрязнить обрабатываемый материал не способны. Безопасность облученных материалов и изделий для человека доказана на практике.

Герметичный источник гамма-излучения

Взгляд внутрь

Очевидно, что ионизирующая способность радиации нашла широкое применение в самых разных сферах человеческой деятельности. Но не менее важной оказалась ее способность проникать вглубь материалов. Гамма-излучение, да и схожие с ним по природе рентгеновские лучи могут пробираться внутрь любых предметов. Конечно, они поглощаются в материале, из которого изготовлен предмет, но не полностью. Часть гамма- или рентгеновских лучей, войдя в объект с одной стороны, выходит с противоположной. И здесь открываются удивительные возможности. Оказывается, материя устроена так, что различные вещества задерживают излучение по-разному: к примеру, мягкие такни организма поглощают его слабее, а кости – сильнее; та же история с воздухом и металлом, с массой других веществ. Значит, можно увидеть внутреннее устройство предмета, если следить за прошедшим сквозь него излучением.

Этот эффект используется в медицине. В частности, широкое распространение получила рентгенография, которая позволяет обнаруживать переломы, онкологические и другие заболевания без операции. При рентгенографическом исследовании излучение, прошедшее сквозь тело человека, фиксируется на специальной чувствительной пленке или бумаге. Ионизирующее излучение обладает способностью вызывать химические процессы в фоточувствительном слое, в конечном итоге попросту «засвечивая» его, заставляя темнеть. Степень потемнения зависит от силы излучения. К примеру, на проявленном изображении кости будут более светлыми, чем окружающие мягкие ткани. Логично, ведь кости хорошо задерживают радиацию и, значит, лучше защищают чувствительный слой от радиационной «засветки». Благодаря этому на рентгенограмме легко обнаружить переломы. Или другой пример – со съемкой грудной клетки: легкие, заполненные воздухом, практически не останавливают поток радиации, и на фотопластинке получаются темными. А если в них есть опухоль, более плотная, чем легочная ткань, врач заметит светлое пятно. Все эти ценные для здоровья пациента сведения опытный специалист разглядит на изображении, полученном с помощью рентгенографа.

Но чаще всего обычному человеку приходится сталкиваться с флюорографами. В этих аппаратах делается снимок экрана, светящегося под действием прошедшего через тело излучения. Сейчас флюорография применяется, главным образом, для исследования органов грудной клетки – выявления туберкулеза и новообразований в легких. Важность этой весьма информативной диагностической процедуры сложно переоценить. Тем более, современные аппараты не только дают высококачественные цифровые изображения, но и по дозе облучения сравнимы… с восьмичасовым перелетом на самолете. Таким образом, не стоит пропускать плановую «флюорографию» из-за опасений по поводу переоблучения.

Настоящим прорывом в рентгенологии стала разработка метода рентгеновской компьютерной томографии. Появилась возможность получать послойные изображения (срезы) тела с последующим построением трехмерной «картинки». На практике в томографии используется множество детекторов, показания которых автоматически записываются в компьютер. В результате обработки получается изображение, показывающее детальное строение внутренних органов. Чувствительность томографа позволяет «увидеть» внутри организма объекты размером с булавочную головку.

Современные рентгеновские томографы – это фантастические устройства, воплощенные в реальность. Они выглядят как произведения искусства в стиле «хайтек», а их возможности превосходят все ожидания. За сорок лет быстродействие аппаратов выросло в несколько сотен раз, открыв возможность наблюдать физиологические процессы в сердце или головном мозге почти в режиме «он-лайн». Благодаря внедрению новых детекторов значительно увеличилось разрешение получаемых изображений. И если раньше всех удивляла сама возможность построения трехмерного изображения «внутренностей», то сейчас активно обсуждается использование голограмм в целях визуализации. А что – врачу будет очень удобно: можно осмотреть интересующий орган со всех сторон и даже попросить компьютер построить необходимые разрезы. Так образы из научно-фантастических фильмов постепенно перекочевывают в медицинские учреждения.

Компьютерные томографы нужны не только медикам. Археологи, исследователи Древнего мира тоже оценили их возможности. Взять, хотя бы, те же египетские мумии. Эти безмолвные свидетели жизни Древнего Египта но могут многое рассказать ученым; но как заставить их поделиться информацией? Внутри мумии могут находиться погребальные предметы, другие важные артефакты, которые очень хотелось бы изучить поподробнее. Можно, конечно, распеленать мумию, но получается как-то не слишком уважительно. Да и портится музейный образец необратимо, его уже не восстановишь. А вот современные томографы с легкостью позволяют разглядеть все подробности, не срывая покровов. Таких исследований проведено множество. У одной мумии удалось разглядеть амулеты и прочитать некоторые надписи на них. Определили также возможную причину смерти, потому что исследователи заметили холестериновые отложения в артериях. У другой мумии обнаружились очень плохие зубы и серьезные ошибки бальзамировщика. Интересно, ему заплатили? И все эти факты удалось добыть, не повреждая многотысячелетние мумии, почти не трогая их.

Еще один интересный, совсем свежий пример. В 1754 году при раскопках Геркуланума – города, погибшего вместе с Помпеями, – были обнаружены папирусные свитки. Точнее – обгоревшие папирусные свитки с текстами, написанными чернилами на основе сажи. Возраст – около двух тысяч лет. Пытаться развернуть их – затея пропащая: развалятся на части. Как бы прочитать текст? Ученые применили компьютерную томографию, получили «виртуальный» свиток и развернули его на экране монитора компьютера. Теперь пытаются прочесть.

Другим примером давнего использования радиации является метод рентгеновской и гамма-дефектоскопии, применяемый для контроля качества металлических изделий. Глубоко проникающие лучи позволяют выявить в изделиях скрытые дефекты – пустоты, трещины. Например, если с одной стороны металлического образца поместить источник гамма- или рентгеновского излучения, а с другой – детектор, реагирующий на излучение, то по его ослаблению можно судить о наличии пустот в металле. Дело в том, что в пустотах радиация поглощается значительно слабее, чем в самом металле. Как только источник окажется над таким участком, детектор зафиксирует повышение интенсивности излучения. Конечно, если в изделии есть дефекты, оно признается некачественным и не может быть использовано в промышленности и строительстве.

В роли детектора можно применять чувствительную фотопленку. Получаемое на ней изображение покажет наличие дефектов: на фоне основного материала они будут видны как более светлые или более темные пятна.

Гамма-дефектоскоп (источник излучения)

Принцип рентгеновской дефектоскопии с регистрацией изображения на фотопленку

В науке нашли широкое применение рентгеновские методы исследования состава и структуры веществ. Направляя рентгеновские лучи на тот или иной образец, можно определить, из чего он состоит. Главное, что эти методы являются неразрушающими, то есть не портящими исследуемый предмет. Например, нужно определить, из какого металла сделано украшение: не подсунул ли продавец вместо золота значительно более дешевую медь. Для обычного химического исследования драгоценное изделие придется растворить, что совершенно неприемлемо. Но можно обследовать его с помощью рентгеновского излучения, и уже через пару минут получить четкий ответ. При этом украшение останется нетронутым, и его можно будет смело продолжать носить. Надо думать, что Архимед, живи он сегодня, подделку короны царя Гиерона выявил бы именно таким способом.

Вышеописанный метод оказывает неоценимую помощь искусствоведам. В своей работе они сталкиваются с двумя важными проблемами: определение возраста произведений и разоблачение подделок. Например, в случае картин химический состав красок и белил может многое сказать о времени их написания. До начала девятнадцатого века белила были в основном свинцовые, затем – цинковые, а в двадцатом веке – титановые. Эти элементы можно легко определить с помощью рентгеновского анализа. Современные микроанализаторы позволяют исследовать состав красок даже в конкретной точке картины. Благодаря этому создаются картограммы распределения различных элементов по площади холста, на которых видны и внутренние слои краски, скрытые от глаза. К примеру, так удалось в подробностях рассмотреть портрет женщины, находящийся под красочным слоем «Лоскута травы» кисти ван Гога. Вообще, он часто писал картины на старых использованных холстах.

Аналогичным образом ученые прочли замазанный нотный текст одной из арий знаменитой оперы «Медея» Луиджи Керубини. Специалисты знали, что в конце восемнадцатого века чернила содержали много железа, а нотный стан печатали типографской краской с высокой концентрацией цинка. Сканируя строку за строкой при помощи микроанализатора, настроенного на обнаружение железа и цинка, исследователям удалось «увидеть» замазанные ноты. Вот уж точно «рентгеновское» зрение!

Атомы сигнализируют

До этого момента речь шла о внешнем облучении различных предметов с целью получения необходимой информации или эффекта типа стерилизации. Теперь пришла пора поговорить о выгодах, которые можно получить, изучая поведение радиоактивных веществ внутри тех или иных объектов.

Как уже отмечалось, радиоактивность – это естественное явление. Человека всегда окружали, и будут окружать природные радиоактивные вещества. Они делятся на три класса: космогенные, реликтовые и членов радиоактивных семейств.

Космогенные радиоактивные изотопы постоянно образуются в атмосфере и на поверхности Земли под действием космической радиации, обладающей высокой энергией. В качестве примера можно назвать углерод-14 и водород-3, более известный как тритий.

Некоторые радиоактивные изотопы – уран-238, уран-235, торий-232, калий-40 и другие – входили в состав газопылевого облака, из которого сформировалось Солнце и планеты, как наследие от звезд предыдущих поколений. Казалось бы, они должны были давно исчезнуть. Но эти изотопы обладают таким большим периодом полураспада, что за время существования Земли просто не успели полностью распасться. Такие радиоактивные изотопы принято называть реликтовыми. Они находятся в очень малых количествах во всех объектах, окружающих нас, да и в теле человека тоже.

Уран-235, уран-238 и торий-232 являются родоначальниками больших радиоактивных семейств, то есть, испытывая радиоактивный распад, они превращаются в другие радиоактивные изотопы, те – в следующие, и так далее. Из членов радиоактивных семейств следует особо выделить радий-226 и радон-222, с которыми человеку часто приходится встречаться.

Исследование распределения природных радиоактивных веществ в объектах окружающей среды позволяет изучать некоторые естественные процессы, к которым раньше было сложно подступиться.

Например, эрозия почвы – глобальная проблема для сельскохозяйственной деятельности. Вспашка многократно снижает устойчивость грунтов к ветровому или паводковому разрушению. Слежение за этими процессами затруднено из-за отсутствия недорогих методов, но если наблюдать за поведением природных радионуклидов, то можно получить надежные данные об эрозии почвы.

Сейсмическую активность, вероятно, тоже можно прогнозировать с помощью природных радиоактивных веществ. По некоторым данным непосредственно перед землетрясением из почвы начинает более активно выделяться природный радиоактивный газ – радон. Возможно, контроль скорости его поступления из грунта позволит создать систему предсказания землетрясений.

Кстати, радон отвечает за половину годовой дозы, получаемой средним россиянином. Это совершенно безопасно хотя бы потому, что многие жители нашей планеты проживают в местностях, где радон из почвы выделяется гораздо более активно, чем в нашей стране, и не испытывают негативного воздействия. Более того, лечебные свойства радоновых ванн хорошо известны: заживление ран, улучшение работы нервной системы и так далее.

Важную роль в археологии сыграло открытие метода радиоизотопной датировки. Метод радиоуглеродного анализа, позволяющий определять возраст археологических находок, – один из ярких примеров практического использования явления радиоактивности. Он основан на том, что содержащийся в атмосфере углерод состоит из трех изотопов: стабильных углерода-12 и углерода-13, и радиоактивного углерода-14. Углерод-14 постоянно образуется в атмосфере под действием космического излучения и в то же время подвергается радиоактивному распаду. В результате доля ядер углерода-14 в общем числе ядер углерода в атмосфере остается постоянной. Растения потребляют углерод из атмосферы в процессе фотосинтеза, животные поедают растения и друг друга. Поэтому, пока они живы, доля углерода-14 в общем количестве ядер углерода, как в живых организмах, так и в атмосфере одинакова. Но когда организм гибнет, обмен углеродом с атмосферой прекращается. Углерод-14 постепенно распадается и его доля со временем уменьшается, поскольку ему больше неоткуда взяться. Зная долю углерода-14 в атмосфере, которая постоянна, и измерив его долю в исследуемом природном материале, можно установить дату гибели организма.

Научные основы радиоуглеродного анализа (на рисунке углерод-14 обозначен как ¹⁴С, азот-14 – ¹⁴N, нейтрон – n, протон – p, бета-частица – β^-)

Этот метод позволяет выявлять подделки предметов искусства. К примеру, если при покупке очень дорогой картины восемнадцатого века приобретателя одолевают сомнения в ее подлинности, можно попытаться установить возраст произведения по содержанию углерода-14. В лаборатории кусочек холста отрезают, сжигают и определяют содержание интересующего изотопа, после чего рассчитывают, когда был изготовлен холст. Если в двадцатом веке, то картина, несомненно, является подделкой. Аналогично можно поступить с изделиями из дерева.

Метод радиоуглеродного анализа был разработан в 1946 году, и успешно применяется с тех пор. Кроме того, существуют способы датировки по соотношению природного радиоактивного элемента – урана и продукта его распада – стабильного свинца, а также по парам калий-аргон и рубидий-стронций – эти способы применяются для определения возраста горных пород. Но возможности радиоизотопной датировки на этом не заканчиваются. В нашем веке ее стали использовать даже для определения возраста звезд по их спектрам.

В 1950 году в Дании близ деревушки Толлунд во время разработки торфа на глубине двух с половиной метров был найден хорошо сохранившийся труп мужчины. Предположили, что он стал жертвой недавнего преступления, следов которого не осталось. Дело, что называется, «пахло глухарем». А вот когда трупом занялись ученые, оказалось, что он умер примерно в четвертом веке до нашей эры. Возраст был определен радиоуглеродным анализом.

Все вышеописанные методы основаны на исследовании поведения природных радиоактивных веществ. Но применение искусственных радиоактивных изотопов предоставляет гораздо больше возможностей.

Отличительной особенностью радиоактивных веществ является возможность их определения в исчезающе малых количествах, когда их содержание на порядки ниже опасных уровней, чего не скажешь о большинстве химических токсикантов. Чувствительность созданных человеком приборов позволила реализовать ряд технологий, о которых до получения искусственных радиоактивных изотопов только мечтали.

Научные работники одними из первых оценили возможность использования искусственных радиоактивных веществ в исследовательских целях. Так, они были применены в качестве индикаторов для наблюдения за различными химическими реакциями. Этот прием получил название «метода меченых атомов». Действительно, если в молекулу ввести радиоактивный изотоп, то за ее поведением можно будет следить при помощи детекторов радиации. Это позволило получить ответ на многие вопросы, которые были трудно решаемыми при использовании других методов. Стало возможным легко наблюдать за перестройкой атомов в молекулах, за превращениями веществ, за ходом химических реакций. Это относится и к живой клетке: биохимические реакции, протекающие в ней, также удалось изучить более подробно.

А если взять органическую молекулу, например глюкозу, «пометить» ее и ввести в организм? Получится радиофармпрепарат – вещество для диагностики заболеваний. В настоящее время имеется большой выбор радиофармпрепаратов, способствующих выявлению тех или иных болезней. Они успешно используются для наблюдения за состоянием органов и тканей, движением биологических жидкостей. Радиофармпрепараты вступают в метаболизм и распределяются по организму. Если в одном из органов идет накопление радиофармпрепарата, о чем свидетельствует повышенный уровень радиоактивности, или, наоборот, наблюдается его недостаток, это может свидетельствовать о нарушениях в функционировании обследуемого органа. Определить, накапливается или нет радиоактивное вещество в органе можно с помощью детектора радиации.

Для диагностики, конечно, используются только те радиоактивные вещества, которые наносят минимальный вред организму. Они должны быстро распадаться, то есть обладать очень малым периодом полураспада, и быстро выводиться из организма, не задерживаясь в нем. Критерием применимости этого вида диагностики является польза для пациента: если потенциальный вред от введения радиоактивных веществ в организм выше, чем планируемая польза диагностической процедуры, врач ее никогда не назначит. С другой стороны, только этим методом можно определять онкологические заболевания в самом начале развития и останавливать их на ранней стадии, когда шансы на излечение наиболее велики.

Радиодиагностика (упрощение). На 3D-изображении видно, что радиофармпрепарат аномально накапливается в опухоли, расположенной в правом легком.

А еще радиоактивные вещества используются в радиоизотопных источниках света, авиационных сигнализаторах обледенения, позволяют следить за протеканием различных производственных процессов и контролировать качество продукции. К слову, это далеко не все сферы их применения – ядерные и радиационные технологии можно встретить повсюду! Например, в космосе.

Тяга к дальним путешествиям

Человечеству стало скучно на Земле: его все больше и больше тянет к другим планетам и звездам.

Как шутил известный британский астроном Фред Хойл, до космоса час езды на автомобиле, правда, по вертикали. Современные ракеты летят «до неба» всего девять минут. Однако с теми же скоростями даже Марс находится примерно в годе пути; что уж говорить об экспедициях к планетам-гигантам, которые превратятся в многолетнее заключение. Вполне логично поставить перед собой два вопроса. Первый – как ускорить наши космические корабли, чтобы астронавтика по Станиславу Лему «не попахивала тюрьмой»? И второй – как получать энергию, необходимую для обеспечения жизнедеятельности корабля и планетных баз?

Ответ на эти и многие другие вопросы дают исследования в области атомной энергии. Более того, атом в космосе уже побывал и показал себя с самой лучшей стороны. Чтобы понять, какие преимущества открывает перед покорителями космоса применение сил, сокрытых в атоме, нужно сначала обратиться к истории ядерно-космических разработок, а затем можно будет познакомиться с проектами ядерных ракетных двигателей.

Пятидесятые годы прошлого века стали знаковыми в истории использования атомной энергии. В 1954 году дала ток Первая в мире атомная электростанция (СССР) и была спущена на воду первая атомная подводная лодка (США), а чуть позже - первый ледокол с атомной силовой установкой (СССР, 1957). Соперничество между ведущими ядерными державами распространилось и на космическую сферу: уже во второй половине пятидесятых Советский Союз и Соединенные Штаты приступили к выполнению программ по созданию реакторов для космических кораблей. Конечно, главной задачей была разработка ядерных ракетных двигателей, но предстояло сначала решить задачу подбора материалов для экстремальных условий эксплуатации, отработать механизмы управления, выяснить, как реактор поведет себя в космосе.

Но запускать ядерный реактор в космос только ради интереса – довольно дорогое и непрактичное занятие. Нужно было найти для него насущную задачу, которая позволила бы проводить эксперименты с двойной пользой. Пусть, например, реактор обеспечивает электроснабжение оборудования, установленного на космическом аппарате.

Как этого добиться? Стандартная схема, применяемая на атомных электростанциях (турбогенератор), не подходит для космоса, требуется что-то более компактное и легкое. На помощь пришла физика, которая освоила еще несколько способов получения электроэнергии. Один из них основан на эффекте Зеебека: если электрическая цепь состоит из нескольких различных по материалу проводников, которые спаяны друг с другом, и контакты между ними находятся при различной температуре, то в цепи возникает электродвижущая сила (термо-эдс); при замыкании такой цепи по ней потечет ток. Проще говоря, если взять две проволоки из различных сплавов и спаять их концы, а затем один из контактов нагреть, оставив второй холодным, то в цепи возникнет слабый электрический ток. Кстати, это явление применяется для измерения температуры различных объектов. Нужно просто приложить один из контактов к нагретому телу и следить за амперметром, измеряющим ток: чем выше температура, тем сильнее отклонится стрелка. Название такого датчика температуры у всех на слуху – термопара.

Очевидно, можно получить необходимую для работы оборудования космического аппарата электроэнергию, воспользовавшись эффектом Зеебека. Устройство, используемое с этой целью, вполне логично называют термоэлектрогенератором. Если сплавы в нем заменить полупроводниками, то эффективность электрогенератора только возрастет. Но как нагреть один из контактов, если температура в космическом пространстве близка к абсолютному нулю? Как вариант, с помощью действующего ядерного реактора.

Эффект Зеебека для металлов

Термоэлектрогенератор на эффекте Зеебека для полупроводников

Сам реактор загружается ядерным топливом – ураном, обогащенным по делящемуся изотопу урану-235, а выделяющееся в ходе ядерной реакции тепло отводится от топлива жидкометаллическим теплоносителем (например, смесью натрия и калия), циркулирующим через активную зону. Тепло передается с помощью теплоносителя термоэлектрогенератору для нагрева одного из контактов, а избыток тепла уходит в окружающее пространство.

Первые реакторы на орбите были именно такими. Пионером стал американский SNAP-10A, проработавший в космосе 43 дня (с 3 апреля до 16 мая 1965 года), но его заглушили ложной командой с Земли. Более успешной оказалась серия из трех десятков советских ядерных энергетических установок «Бук», первая из которых была запущена на орбиту в составе спутника радиолокационной разведки УС-А 3 октября 1970 года. Назначение этих спутников было чисто военным. Они входили в состав системы космической разведки, и выполняли задачи наблюдения за надводными целями на всей акватории мирового океана и передачи координат на носители ядерного оружия (атомные подводные лодки) или командные пункты.

Улучшенные образцы ядерных энергетических установок «Топаз-1» («Тополь») обладали прекрасными для своего времени характеристиками. Если ресурс «Бука» составлял 1-3 месяца, то один из двух запущенных «Топазов-1» проработал на орбите год! Для получения электроэнергии был использован несколько иной способ, чем на реакторах-предшественниках – термоэмиссионное преобразование. Существует эффект Ричардсона, или, как его чаще называют, явление термоэлектронной эмиссии, согласно которому нагретые тела испускают электроны; то есть при повышении температуры некоторые электроны приобретают скорость, достаточную для того, чтобы покинуть тело. А движение электронов и есть электрический ток. Если взять два электрода и разделить их промежутком из вакуума, а снаружи замкнуть электрическую цепь, то получится термоэмиссионный генератор. При нагреве одного из электродов из него начнут вылетать электроны, которые устремятся к более холодному электроду. По цепи пойдет ток. Понятно, что для нагрева электрода можно использовать тепло, выделяющееся в ядерном реакторе. Так были устроены два спутника с энергетическими установками «Топаз-1».

Макет ядерной энергетической установки «Топаз»

Более поздний «Топаз-2» («Енисей») был сугубо мирным проектом, предназначавшимся для телевизионных спутников-ретрансляторов «Экран-АМ», но так никуда и не полетел. В 1992 году США приобрели у России две установки «Топаз-2» для собственных исследований, но из-за бюджетных ограничений проект закрыли. Российские разработки более мощного «Топаза-3» также застопорились. В нашей стране причиной свертывания «ядерно-космической» программы послужили проблемы с финансированием, а также настороженное отношение к ядерным технологиям после Чернобыльской аварии и ряда аварий космических аппаратов с ядерными энергоустановками. Сошлись на том, что околоземные спутники вполне успешно работают от солнечных батарей, которые обходятся дешевле и более безопасны.

Тем не менее, за тридцать лет активной работы был создан научный и технический задел для дальнейшего развития, обеспечено «спящее лидерство», которое позволит нашей стране в кратчайшие сроки реализовать масштабные проекты – если такая необходимость появится. По всей видимости, вектор роста будет направлен в сторону создания ядерных ракетных двигателей и энергетических установок для межпланетных космических аппаратов, о которых речь пойдет чуть позже.

А в этом разделе осталось вспомнить… о тепле радиоактивного распада. Необходимо упомянуть, что радиоактивные вещества нагревают себя сами, преобразуя энергию собственного ионизирующего излучения в тепло. Такой источник тепла обладает изумительным постоянством и не зависит от внешних условий. Идеально для космических аппаратов, отправляющихся далеко от Земли, туда, где Солнца не видно или его свет слишком слаб для эффективной работы солнечных батарей. Конечно, тепло радиоактивного распада нашло свое применение в космической технике. Советские «Луноходы» обогревались им, поскольку далеко не все измерительные приборы, установленные на них, могли работать при температурах, господствующих на Луне ночью (до -170 ^оС).

«Луноход-1». Изотопный источник тепловой энергии расположен сзади и имеет форму черного цилиндра.

Тепло радиоактивного распада тоже можно преобразовывать в электрическую энергию с помощью эффекта Зеебека. Так появились знаменитые РИТЭГи (радиоизотопные термоэлектрические генераторы) – стабильные и долговечные источники электроэнергии, способные работать в условиях космического холода и высоких радиационных полей планет-гигантов. Эти выдающиеся свойства РИТЭГов определили их применение в качестве источников энергии для космических исследований. Например, американские космические аппараты «Пионер-10, -11», «Вояджер-1, -2», «Галилео», «Улисс», «Кассини» и «Нью Хорайзонс», недавно пролетевший мимо Плутона, а также спускаемые зонды первого и второго «Викингов» были снабжены радиоизотопным «сердцем», содержавшим в большинстве случае радионуклид плутоний-238. Это уникальные устройства выполнили важнейшие задачи по исследованию Солнечной системы. Некоторые из них работают до сих пор. Например, на сегодняшний день «Вояджер-1», запущенный в 1977, достиг пределов Солнечной системы и продолжает надежно функционировать. Он является первым космическим аппаратом в истории человечества, передавшим сигналы из межзвездного пространства! Более того, ученые полагают, что радиоизотопные термоэлектрические генераторы будут поддерживать оба «Вояджера» в рабочем состоянии до 2025 года. Возможно, их увидят иные цивилизации: на борту обоих аппаратов закреплены одинаковые золотые пластины, на которых указаны координаты Солнечной системы, записан ряд земных звуков и изображений.

«Вояджер». На рисунке РИТЭГ расположен внизу, между антенн.

Космический аппарат «Нью Хорайзонс», летом 2015 года передавший первые подробные снимки поверхности Плутона. На переднем плане хорошо виден РИТЭГ.

Радиоизотопные источники энергии незаменимы при исследовании дальнего космоса, тех его точек, где солнечный свет уже не удастся использовать для получения электричества при помощи фотоэлементов. В будущем радиоизотопные источники тепла и электроэнергии могут быть использованы в межзвездных зондах, боевых лазерах космического применения, планетных станциях постоянного базирования.

Все это, конечно, очень здорово, но планеты Солнечной системы пока недостижимы для человечества, поскольку космические корабли – недостаточно быстры. Для космических экспедиций нужен новый тип двигателя, который позволит развить необходимую скорость. Специалисты сходятся во мнении: покорить Солнечную систему поможет атомная энергия.

Атомный привод

Как уже было отмечено, разработки ракетных двигателей с использованием энергии атома велись, начиная со второй половины пятидесятых годов прошлого века. В Соединенных Штатах действовала программа по созданию ядерных реакторов типа NERVA, предназначенных для космических двигателей. Реакторы – но не двигатели в целом! – даже прошли испытания на полигоне в штате Невада. Правда, в 1972 году программу закрыли из-за дороговизны. Советский Союз продвинулся значительно дальше. Здесь был реально построен и испытан ядерный ракетный двигатель РД-0410. С этой целью под Семипалатинском создали уникальный стендовый комплекс для полноразмерных испытаний «Байкал-1». В дальнейшем работы были приостановлены из-за смены государственных приоритетов.

Один из вариантов устройства ядерного ракетного двигателя.

Ядерный ракетный двигатель РД-0410 (СССР).

Сегодня, спустя пару десятилетий ведущие страны мира по-новому смотрят на перспективы покорения космоса с использованием атомной энергии. В России началась разработка космического двигателя высокой мощности для полетов к Луне и Марсу. Цель программы – произвести первый пуск космического корабля ядерной энергодвигательной установкой. Большой интерес к проекту проявляют США и Китай, и нельзя исключить ускорения работ по созданию ядерных двигателей в этих странах. Будет ли это международная кооперация или же соревнование – покажет время.

Причина, по которой снова активизируются работы в области ядерных ракетных двигателей, довольно проста: достигнут «потолок возможностей» обычных двигательных систем. Теперь сколько не старайся, тягу удастся увеличить разве что на доли процента. А нужно – в разы!

Как этого добиться?

В современных двигателях реактивную тягу формируют вырывающиеся из сопла газы – продукты сгорания топлива. Чем выше скорость истечения газов из сопла, тем лучшие скоростные характеристики достигаются. Средняя скорость молекулы в газе определяется ее массой и кинетической энергией, которая напрямую связана с температурой. Поэтому возникают две задачи: поддерживать температуру газов на максимальном уровне, который допустим с точки зрения стойкости конструкционных материалов, иначе двигатель просто разрушится; и максимально снизить массу молекулы газа. Сегодня самый эффективный двигатель – водородно-кислородный – выбрасывает пары воды, молекулярная масса которой равна восемнадцати. А масса молекулы водорода – два, в девять раз меньше. Значит, выгоднее, чтобы из сопла просто вылетал горячий водород? Можно сравнить скорости молекул водорода и воды при одной и той же температуре, другими словами, при одной и той же кинетической  энергии. Если вспомнить, что кинетическая энергия любого тела равна половине массы, умноженной на квадрат скорости, становится ясно, что в одинаковых условиях водород будет в три раза быстрее воды. Значит, для увеличения скоростных характеристик в разы двигатель должен выбрасывать горячий водород. Нагреть его можно в ядерном реакторе.

Только что был сформулирован принцип работы одного из вариантов ядерного ракетного двигателя. Водород из специальной камеры подается в ядерный реактор, где разогревается и выбрасывается через сопло, толкая космический корабль в соответствии с законом сохранения импульса. Все, вроде бы, просто, но возникает целый ряд проблем: водород нужно разогреть до температур порядка трех тысяч градусов Цельсия, при которых урановые стержни растрескиваются, и мельчайшие частицы урана уносятся с потоком водорода. Поэтому двигатель не может работать долго. Кроме того, выхлоп ощутимо «фонит». Понятно, что на Земле такие запуски недопустимы. Ну что ж, этот проект можно положить «под сукно» до тех пор, когда большие межпланетные корабли будут собираться и стартовать с орбиты Земли. В этом случае выбрасываемые двигателем радиоактивные вещества не нанесут вреда атмосфере, и будет решена проблема с разрушением урановых стержней, поскольку двигатель придется включать всего дважды и ненадолго – при разгоне и при торможении у пункта назначения, часов на десять. Космическое пространство практически пустое, и в нем можно летать по инерции, не теряя скорость.

Встречаются и вполне фантастические проекты. В разное время американские и советские инженеры разрабатывали газофазный и импульсный ядерные ракетные двигатели. Газофазный двигатель требует весьма сложных технологических решений. В нем уран находится в газообразном состоянии при температуре около девяти тысяч градусов Цельсия и заключен в магнитном поле, примерно как топливо в термоядерном реакторе. Не смешивающийся с ним водород разогревается до очень высоких температур, что позволяет еще увеличить скорость по сравнению с описанным в предыдущем абзаце проектом двигателя.

Корабль с импульсным двигателем более известен как «ядерный взрыволет». В нижней части корабля расположен толкатель – мощный металлический диск с теплозащитным покрытием. Под толкателем периодически взрываются ядерные заряды, которые и придают кораблю импульс. Эта технология достаточно интересна и позволяет достичь огромных скоростей. Например, в американском проекте «Орион» был заложен максимальный показатель, равный одной тридцатой скорости света. «Орион» долетел бы до ближайшей к нам звезды в созвездии Центавра за сто тридцать лет. Межзвездный зонд «Дедал» должен был передвигаться в три раза быстрее. Какова судьба этих проектов? И в Советском Союзе, и в Соединенных Штатах они были закрыты, хотя возможность управляемого полета такого корабля была показана при помощи обычной химической взрывчатки. Но, как и всегда, возникли проблемы с материалами – из чего изготовить толкатель, чтобы он не испарился? Да и производить ядерные взрывы в атмосфере нельзя. Сегодня импульсные двигатели пока не рассматриваются даже в качестве возможного направления развития двигательной техники. Их время, как и время полета к звездам, пока не пришло.

Термоядерный взрыволет «Дедал» - вполне реальный способ долететь до звезд.

Схема ядерного взрыволета Сахарова.

Конечно, следует вернуться к более реальным проектам, к тому, что может и должно быть построено в ближайшие десятилетия. Один из вариантов безопасного для окружающей среды двигателя с ядерным реактором подразумевает нагрев благородного газа, например, ксенона, теплоносителем. Сам теплоноситель циркулирует через активную зону реактора по замкнутому контуру. Таким образом, радиоактивное загрязнение отсутствует. Во втором варианте задействованы ионные двигатели, в которых тяга создается за счет выброса из сопла ионизированного газа, ускоренного электромагнитным полем. Роль ядерного реактора здесь сведена до выработки электричества. Такая система получила название электроракетного двигателя. Маломощные ионные двигатели с электропитанием от солнечных батарей уже нашли свое применение в космической технике (аппарат «Дип Спейс 1», лунный зонд «Смарт 1» и другие), то есть данная технология вполне реальна. Их минусом является отсутствие возможности старта с поверхности планеты, зато при длительной работе они позволяют достичь скоростей, недоступных в настоящее время ни одному из существующих видов двигателей. Второй отрицательный момент – солнечные батареи для питания мощного двигателя получились бы просто огромными, в несколько футбольных полей. Симбиоз с ядерным реактором, который пока не реализован на практике, позволит значительно увеличить мощность ионного двигателя при приемлемой массе аппарата.

Принципиальная схема ионного двигателя.

Российская аэрокосмическая отрасль уже приступила к разработке проекта космической платформы с ядерной энергетической установкой мегаваттного класса, то есть мощностью около тысячи киловатт. Каким будет этот проект – пока не совсем ясно, но, скорее всего, он воплотит в жизнь один из приведенных в предыдущем абзаце вариантов. Американцы также запускали ряд программ по созданию автоматических космических станций с бортовыми ядерными реакторами и ионными двигателями (JIMO, «Прометей»), но они были закрыты из-за технических сложностей или нехватки средств. Тем не менее, специалисты из Соединенных Штатов утверждают, что в ближайшее время страна вернется к исследованиям и разработкам в области ядерных ракетных двигателей.

Несостоявшийся проект по изучению ледяных лун Юпитера JIMO (США): реактор расположен на носу космического аппарата (впереди); «крылья» – это радиаторы для сброса в космос избыточного тепла; двигатели – ионные.

И вот бесспорные основы нашего будущего успеха, позволяющие смотреть в будущее с оптимизмом: уникальный опыт, внимание государства и лидерские амбиции. Сейчас, благодаря успешным разработкам предыдущих десятилетий, Россия ближе всех к использованию энергии атома для космических полетов – сфере, в которой наша страна является общепризнанным лидером. На государственном уровне запущен проект «Создание транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса» в рамках которого Росатом и Роскосмос планируют, если все пойдет успешно, к 2030 году завершить создание установки. А опытный образец реактора Росатом планирует представить уже в 2018 году. Это сложный путь, но отказ от цели будет обозначать неизбежное отставание в космической сфере.

Конечно, особое внимание будет уделено безопасности космических кораблей с ядерными реакторами на борту. Они, подобно современным АЭС, будут оборудованы барьерами безопасности. А в случае неполадок в реакторе или системе управления автоматика будет уводить блок с ядерной установкой от Земли в сторону Солнца. Идеальный вариант утилизации.

Мечты, мечты…

Что же дальше? Люди начнут летать к Луне и Марсу на «атомной тяге», поскольку уникальные характеристики новых двигателей значительно сократят сроки экспедиций и позволят более дешево перемещать большие объемы грузов. Ядерные двигатели будут не только обеспечивать движение межпланетных кораблей и станций, но и снабжать бортовые системы электричеством. Когда полеты на соседние планеты станут регулярными, начнется их колонизация. Появятся космические базы на Луне и Марсе. Они тоже будут получать энергию и тепло от ядерных реакторов и радиоизотопных электрогенераторов. Другого варианта просто нет; не перевозить же такое количество обычного топлива с Земли.

Обосновавшись на Марсе, люди обратят свое внимание на планеты-гиганты и еще дальше – на звезды. Полеты к ним потребуют изобретения двигателей более высокого класса. Возможно, тогда будет построен «взрыволет» или же звездолет с фотонными двигателями, работающий на принципе аннигиляции материи и антиматерии. Как «Хиус» у братьев Стругацких… Хотя стоп. Фантазировать можно сколько угодно. Сегодня идея фотонного двигателя невероятно далека от реализации. Пока даже теоретически невозможно получить и сохранить необходимое количество антивещества.

Но, думается, в двадцать втором веке горящий тур на Марс вполне можно будет купить в Интернете.

Несбывшиеся мечты

Не всем интересным и неординарным проектам было суждено продвинуться так далеко, как технологии ядерных ракетных двигателей. История сохранила сведения о попытках задействовать атомную энергию для приведения в движение самолета, локомотива и даже автомобиля.

В конце сороковых годов в головы как американских, так и советских военных и конструкторов пришла идея создания атомолета. Конечно, она была продиктована не столько желанием расширить спектр применения атомной энергии, сколько потребностью в разработке бомбардировщиков, обладающих достаточной дальностью полета. По сути, такой самолет с ядерной силовой установкой применялся бы как средство доставки ядерного оружия на территорию противника.

В пятидесятых годах прошлого века в СССР разрабатывалось сразу несколько проектов атомолетов. От первых вариантов, – в которых забортный воздух, поступавший сквозь воздухозаборник в работающий реактор, нагревался, затем шел на турбину и, в конце концов, выбрасывался наружу, – пришлось отказаться. Причина проста – радиоактивный выхлоп подобного турбореактивного двигателя. Поэтому перешли к более чистым проектам с передачей тепла от реактора воздуху посредством теплоносителя, циркулирующего по замкнутому контуру.

Проект атомолета М-30: реактор расположен в середине фюзеляжа, а шесть ядерных турбореактивных двигателей – в хвостовой части.

Понятно, что разработка и постройка таких сложных летательных аппаратов была дорогим удовольствием. Поэтому инженеры старались изыскивать любые возможности для снижения стоимости проектов. Так появилось решение доработать имеющиеся обычные самолеты, встроив в них ядерную силовую установку. Причем изначально требовалось попросту «покатать» работающий реактор, не используя его в качестве источника энергии. Это позволило бы изучить управление реактором в полете, а также оценить влияние радиации, идущей из активной зоны, на конструкционные материалы воздушного судна и его экипаж. Так появилась летающая атомная лаборатория Ту-95ЛАЛ на базе соответствующего стратегического бомбардировщика. С мая по август 1961 года Ту-95ЛАЛ тридцать четыре раза поднималась в воздух с действующим и заглушенным реактором. Результаты этих экспериментальных полетов, к слову, прошедших без каких-либо нештатных ситуаций, подтвердили возможность создания атомолета, безопасного для экипажа.

Среди последующих проектов следует особо выделить сверхдальний противолодочный самолет большой грузоподъемности Ан-22ПЛО. По задумке он взлетал и садился бы на керосиновых турбовинтовых двигателях, а основной полет совершал бы на выделяемом реактором тепле. В 1972 году один из имевшихся в наличии Ан-22 совершил двадцать три полета со специально разработанным (под руководством А.П. Александрова) реактором и свинцовой защитой от излучения на борту. Тем не менее, и этот проект закрыли из-за технической сложности и дороговизны. В принципе, это решение было оправданным, поскольку к тому времени до нужной кондиции были доведены более дешевые технологии доставки ядерного оружия на дальние расстояния: дозаправка в воздухе и баллистические ракеты.

Надо сказать, что до сего времени так и не был создан полноценный атомолет, который двигался бы благодаря работающей ядерной силовой установке. Более того, серьезные долгосрочные работы по этой тематике не ведутся уже почти пятьдесят лет. Почему? Отчасти потому, что самолеты все же изредка падают, и в случае атомолета такое трагическое событие грозило бы серьезными радиационными последствиями.

Проект атомовоза для боевого железнодорожного ракетного комплекса разрабатывали в период с 1983 по 1985 год, после чего вся деятельность в этом направлении была прекращена. Одна из причин – требования безопасности. Атомный локомотив, который придавал бы «поезду с ракетами» практически неограниченную автономность, все же мог попасть в аварию и стать источником сильного радиоактивного заражения местности. Кроме того, подобный локомотив из-за своей тяжести потребовал бы строительства железнодорожный путей со сверхширокой колеей, а также переделки путевых сооружений, например, мостов, не рассчитанных на такую нагрузку.

односекционной компоновки атомного локомотива: все в одном корпусе – и реактор, и парогенератор, и турбогенератор, и запитанные от него электромоторы, вращающие колеса

В отличие от программы атомолетов, ни один атомовоз, даже экспериментальный, так и не был построен. Да и будущее подобных проектов весьма туманно. Хотя, учитывая разработку современных компактных реакторов, вполне возможно, что когда-нибудь поезда на отдаленных арктических магистралях будут «тягать» именно атомовозы, к тому же, легко превращаемые в подвижные электростанции.

Наконец, пару слов нужно сказать об «атомобилях». Красивая идея «пристроить» ядерный реактор в качестве автомобильного двигателя так и осталась фантазией конструкторов. Наиболее яркий пример – концепт-кар «Форд Нуклеон» (1957), который подразумевал замену модульного реактора на новый каждые восемь тысяч километров. Ни одной рабочей модели, даже ни одного прототипа компании «Форд» так и не удалось выпустить в свет. «Нуклеон» так и остался всего лишь символом эпохи «атомного романтизма», когда ученым и инженерам казалось, что они полностью «укротили» атомную энергию.

«Форд Нуклеон»: реактор сзади.

Сейчас иные времена. Человечеству известно, чем грозит неосторожное обращение с этой грозной силой природы. Но, с другой стороны, за прошедшие десятилетия появились новые, более безопасные технологии. Реакторы стали компактнее, а управление ими – проще, благодаря современной автоматике. Поэтому неудивительно, если в недалеком будущем появятся новые, неожиданные варианты применения энергии, скрытой в ядре атома.

Еще раз о самом важном

В современном обществе сложилось настороженное отношение к использованию ядерных и радиационных технологий. К счастью, время их безапелляционного неприятия прошло. Вот и на государственном уровне они признаны одним из важнейших направлений модернизации страны, и Росатому предстоит стать главным игроком в этой сфере. Почему было принято такое решение? Просто ядерные и радиационные технологии позволяют решать многие задачи проще и дешевле, чем это делается сейчас. Они не требуют слишком сложного и громоздкого оборудования, легко автоматизируются и контролируются, поскольку современные приборы фиксируют радиационный фон в режиме он-лайн и умеют определять радиоактивные вещества на очень низких уровнях. Более того, некоторые из описанных нами технологий не имеют «нерадиационных» аналогов.

Выше уже говорилось о безусловном приоритете безопасности: любое использование радиоактивных веществ и радиации должно сочетаться со строгим контролем и профессионализмом. Это требование безоговорочно выполняется всеми, кто работает с радиоактивными изотопами и ионизирующими излучениями.

В чем же причина страхов, которые не позволяют более активно внедрять инновационные технологии, связанные с радиацией? Скорее всего, дело в недостаточности информации. Есть надежда, что материал, изложенный на страницах этой энциклопедии, позволит оценить не только охват и перспективы применения ядерных и радиационных технологий, но и достигнутый уровень их безопасности.