Атомный квиз — разгоните нейтроны знаний!

Когда ученые признали, что существование атомов надежно экспериментально подтверждено, и с чьей работой это было связано?

Демокрит и Лукреций дали очень ясную и систематическую картину атомистического устройства нашего мира, но эта картина была совершенно умозрительной. Атомистическая теория Дальтона, основанная на обнаруженных Прустом пропорциях в соединении элементов, оставалась гипотезой, о которой говорили: «Атомы — это как эльфы в лесу: объясняют следы на снегу, но никто их не видел». Периодическая таблица Менделеева показала систему в распределении свойств элементов и тем самым позволила открыть новые элементы, но не доказала существование атомов как их минимальных порций. Еще в начале XX века известный физик Эрнст Мах считал, что атомы — лишь гипотеза, для которой нет экспериментальных подтверждений. Первым таким подтверждением стала проверка Жаном Перреном в 1908 году теории броуновского движения, которую опубликовал в 1905-м Альберт Эйнштейн.

В какой сфере человеческой деятельности появились первые прикладные применения радиоактивных элементов?

Радиоактивность была открыта Анри Беккерелем в 1896 году (урановые соли). Радиоактивные элементы радий и полоний выделены Марией и Пьером Кюри в 1898 году. А уже в 1901-м Анри-Александр Данло (Франция), сотрудничая с Кюри, начал применять радий для лечения кожных заболеваний (туберкулез кожи, рак кожи). Это считается первым задокументированным прикладным применением радиоактивных изотопов. Производство светящихся за счет радия циферблатов началось в США в 1902 году. Использование ионизирующего излучения для выявления дефектов в металлах началось еще в 1897-1898-х, однако для этого служил рентген, а не радиоактивные изотопы. Систематическое использование радиотрейсеров для контроля утечек из трубопроводов началось только в 1950-х годах, когда было налажено производство искусственных радиоактивных изотопов.

Современные универсальные атомные ледоколы Росатома проекта 22220 имеют типоразмерное обозначение LK-60Я. Что означает «60» в этом индексе?

Обозначение LK-60Я расшифровывается как «ледокол» (ЛК), 60 мегаватт суммарной пропульсивной мощности и «ядерный» (Я). Универсальные атомные ледоколы проекта 22220 («Арктика», «Сибирь», «Урал», «Якутия») имеют три гребных электродвигателя около 20 мегаватт, всего — 60 мегаватт. Благодаря этому они могут прокладывать канал во льду толщиной до 2,8-2,9 метра.

С самого начала XX века предпринимались попытки использовать радиацию для улучшения свойств сельскохозяйственных культур. Настоящий успех пришел, когда селекционеры научились создавать новые сорта культурных растений за счет мутаций, вызванных облучением. Радиомутагенный сорт какой культуры впервые достиг коммерческого успеха?

Сорт фасоли Sanilac, созданный в 1956 году в Мичиганском университете, стал первым коммерчески успешным радиомутагенным сортом. Его прямостоячие кусты было удобно убирать комбайном, а устойчивость к вирусу мозаики фасоли-1 снижала потери урожая. Эти преимущества компенсировали невысокую урожайность и сделали Sanilac основным сортом для консервной промышленности США на два десятилетия. Табак Chlorina F1, созданный в Индонезии в 1929 году, был первым зарегистрированным радиомутагенным сортом, но не получил широкого распространения. Хлопок M.A.9, выведенный в Индии в 1948 году, послужил основой для дальнейших экспериментов, однако сам не выращивался в промышленных масштабах. Исследования с рисом в Китае начались лишь в конце 1950-х и дали практические результаты уже в 1960-х, когда появились государственные программы «ядерного сельского хозяйства».

Физики из СССР четырежды получали Нобелевские премии. Какая из них была связана с ядерной физикой?

Ландау и Капица получили Нобелевские премии за работы в области сверхнизких температур и сверхпроводимости. Басов и Прохоров получили Нобелевскую премию за работы, которые привели к созданию лазеров. А вот премию 1958 года присудили Черенкову, Франку и Тамму за открытие и объяснение эффекта Вавилова — Черенкова: излучения, которое испускают ядерные частицы, движущиеся в плотной среде быстрее, чем свет в этой же среде (но не быстрее света в вакууме). Это своего рода световые ударные волны от быстродвижущихся ядерных частиц. Именно они вызывают голубоватое свечение вокруг остужаемых в воде тепловыделяющих элементов атомных реакторов с отработанным ядерным топливом.

В 2025 году российская атомная отрасль отмечает 80-летие. Ее возраст отсчитывается с 20 августа 1945-го, когда были созданы Специальный комитет по использованию атомной энергии урана (руководитель — Л. П. Берия) и при нем Первое главное управление (ПГУ) при Совете министров СССР, которое курировало создание первого советского ядерного реактора Ф-1 (под руководством И. В. Курчатова). За это время организационная форма отрасли неоднократно менялась. Какое название она носила дольше всего?

Дольше всего атомная отрасль развивалась под вывеской Министерства среднего машиностроения СССР — с 1953 по 1989 год. Такое странное название связано с советской тенденцией засекречивать всю информацию, связанную с ядерными технологиями. Из-за этого даже название выбрали максимально «неговорящее». С 1989 года в названии министерства появилось упоминание атомной энергетики, а впоследствии — атомной энергии (Минатом). В 2004 году в рамках административной реформы министерство стало Федеральным агентством по атомной энергии. Именно тогда появилось название «Росатом». Еще через три года агентство преобразовали в государственную корпорацию.

Ядерный реактор вырабатывает тепло, которое надо отводить и использовать для выработки электроэнергии. Для отвода тепла служит теплоноситель. Какой теплоноситель еще не применяли в промышленных ядерных реакторах?

Сегодня для отвода тепла от активной зоны реактора чаще всего используют воду — она дешева, надежна и одновременно служит замедлителем нейтронов. Однако исторически первыми были газоохлаждаемые реакторы с углекислым газом или гелием. Они работают при меньшем давлении, но при более высоких температурах, что повышает КПД, хотя и требует жаропрочных материалов. В реакторах с жидкометаллическими теплоносителями — натрием, свинцом или их сплавами — теплопередача превосходна. Однако натрий крайне химически активен, а свинец может застывать при охлаждении, поэтому контуры нуждаются в постоянном подогреве. Расплавленные соли выдерживают высокие температуры, не закипают и обещают повышенную безопасность, но могут вызывать коррозию и становиться радиоактивными под воздействием нейтронов. Поэтому пока их применяли только в экспериментальных реакторах.

Фантасты часто связывают широкое освоение космоса с использованием ядерной энергии. Какая из ядерных технологий сейчас на стадии инженерной проработки для применения в космосе?

Еще в 1970-х годах в космосе стали использовать РИТЭГи — атомные батарейки, вырабатывающие тепло, а от него и электроэнергию за счет естественного распада радиоактивных элементов. Они грели советские «Луноходы» и питали американские межпланетные станции «Пионер» и «Вояджер». В 1980-х на орбиту неоднократно выводили экспериментальные ядерные реакторы. Некоторые из них, такие как советский ТОПАЗ, обеспечивали энергией не только бортовое оборудование, но и электроракетные двигатели, служившие для коррекции орбиты («Космос-1818», «Космос-1867»), в частности для поддержания ее высоты. А вот ядерные энергоблоки для обитаемых космических станций, в первую очередь на поверхности Луны или Марса, пока находятся в стадии разработки с выходом на испытания в космосе около 2030 года.

Атомные технологии незаметно проникли в нашу жизнь. Среди перечисленных технологий только одна не имеет прямой связи с атомной физикой. Какая?

Все перечисленные технологии, кроме микроволновой связи (Wi-Fi/Bluetooth), тесно связаны с ядерной физикой. Опухоли мозга выявляют по метаболизму глюкозы с помощью позитронно-эмиссионных томографов (ПЭТ): позитроны испускает изотоп фтор-18, получаемый в циклотроне ядерными реакциями от протонной бомбардировки. Для уничтожения бактерий, паразитов и плесени без нагрева или химикатов применяют гамма-излучение изотопа кобальт-60, производимого в ядерных реакторах. Технология разработана еще в 1950-х для военных нужд, но в 1990-х стала предотвращать потери продуктов в торговле, включая прорастание картофеля и лука. Таргетированная радионуклидная терапия использует получаемые в ядерных реакторах путем нейтронной бомбардировки радиоактивные изотопы. Это, например, радий-223 и лютеций-177 в составе радиофармпрепаратов, которые избирательно присоединяются только к раковым клеткам и уничтожают их альфа-излучением от распада изотопов. Впрочем, даже Wi-Fi/Bluetooth косвенно зависят от ядерных технологий: хотя радиация и радиоактивные изотопы в них не используются, чипы делают с применением ионной имплантации бора и фосфора на ускорителях, изначально разработанных для ядерных экспериментов.

Доступные для ядерной энергетики запасы урана-235 достаточно ограничены, а традиционные ядерные реакторы производят значительное количество отработавшего топлива, требующего переработки или захоронения. Какой путь решения этой проблемы топливного цикла представляется наиболее перспективным на горизонте середины XXI века?

Термоядерный синтез (Г) — самая перспективная ядерная технология столетия. Он обещает чистую энергию с бесконечным топливом (ITER к 2035 году, коммерческие реакторы — после 2050-го). Но технология еще не готова, и ставить на нее все рискованно. Традиционная ядерная энергетика производит много отходов и быстро исчерпывает уран-235. Поэтому реакторы-размножители на быстрых нейтронах (например, российские БН-600, БН-800 и строящийся БРЕСТ-300) — беспроигрышная ставка: работая в режиме замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ), они превращают уран-238 в плутоний-239, топливо для цепной реакции, и «сжигают» до 90% долгоживущих актиноидов из топлива, отработавшего в реакторах других типов. Если термояд взлетит — они выполнят «уборку» за прежней ядерной энергетикой, а если нет — обеспечат замкнутый топливный цикл на сотни лет. Ториевый цикл (Б) перспективен (прототипы в Китае и Индии), но решает проблему свежего топлива, а не переработки отходов. Извлечение урана из моря (В) может стать рентабельным при росте цен на него, однако тоже не замыкает топливный цикл.