Альфа, бета и гамма

Почти все во Вселенной состоит из атомов — образующих ее вещество частиц звездной пыли. Атомы в миллион раз меньше толщины человеческого волоса и состоят почти полностью из пустоты. Но в центре каждого атома есть ядро — полное латентной энергии и невообразимо плотное, словно 6 млрд автомобилей спрессовали до размеров чемодана. Вокруг ядра движется облако электронов, а само оно состоит из нейтронов и протонов, удерживаемых вместе силой, которую называют сильным взаимодействием.

Сильное взаимодействие, наравне с гравитацией, одна из четырех основных сил, которые удерживают Вселенную. Прежде ученые считали, что его мощь делает атомы неделимыми и неуничтожимыми и что «ни масса, ни энергия не могут быть созданы или уничтожены». В 1905 году Альберт Эйнштейн перевернул эти представления. Он предположил, что, если бы атомные ядра удалось каким-либо образом разорвать, это преобразовало бы их крошечную массу в относительно огромный выброс энергии. В виде уравнения эта идея выглядит так: высвобождаемая энергия будет равна потерянной массе, умноженной на квадрат скорости света. E = mc2.

В 1938 году трио ученых из Германии обнаружило, что при бомбардировке атомов тяжелого металла урана нейтронами ядра этих атомов фактически могут делиться — с высвобождением ядерной энергии. При делении некоторые нейтроны вылетают на огромной скорости, сталкиваясь с ближайшими ядрами и, в свою очередь, делят их, высвобождая еще больше энергии. Если собрать достаточное количество атомов урана в правильной конфигурации, достигнув критической массы, процесс станет поддерживать себя сам, нейтроны одного разделившегося ядра будут раскалывать ядро другого, посылая новые нейтроны на столкновение со следующими ядрами. По достижении критического порога результирующая цепная реакция — ядерное деление — высвободит невообразимые количества энергии.

6 августа 1945 года в 8:16 ядерный заряд, содержащий 64 кг урана, взорвался на высоте 580 м над японским городом Хиросима, с безжалостной точностью подтвердив уравнение Эйнштейна. Сама по себе эта бомба была крайне неэффективной: распаду подвергся всего один килограмм урана, а в энергию превратились только 700 мг массы — столько весит бабочка. Но этого было достаточно, чтобы за долю секунды полностью уничтожить город. Около 78 000 человек погибли в момент взрыва или сразу после него — были испарены, раздавлены или сожжены в огненной буре, прошедшей за взрывной волной. К концу года еще 25 000 мужчин, женщин и детей заболели и умерли от воздействия радиации, высвобожденной первым в мире взрывом атомной бомбы в ходе военных действий.

Радиация — следствие распада нестабильных атомов. Ядра атомов различных элементов различаются по весу, определяемому числом протонов и нейтронов. У каждого элемента уникальное число протонов, оно никогда не меняется, определяя «атомный номер» и положение элемента в периодической таблице: водород никогда не имеет больше одного протона, у кислорода их всегда восемь, у золота — 79. Но атомы одного и того же элемента могут иметь переменное число нейтронов, что дает различные изотопы: от дейтерия («тяжелый» водород — с одним нейтроном вместо двух) до урана-235 (металл уран с пятью добавочными нейтронами).

Добавление или удаление нейтронов из ядра стабильного атома превращает его в нестабильный изотоп. Такой изотоп будет стремиться к восстановлению равновесия, отбрасывая части своего ядра в поисках стабильности — производя либо другой изотоп, либо иногда совсем другой элемент. Например, плутоний-239 отбрасывает два протона и два нейтрона из своего ядра, становясь ураном-235. Этот динамический процесс ядерного распада и есть радиоактивность, а высвобождаемая при этом энергия, которую ядра излучают в форме волн или частиц, — радиация.

Радиация окружает нас всегда и повсюду. Она исходит от Солнца, и ее несут космические лучи, погружая города на большей высоте в фоновую радиацию более высоких уровней, чем в городах на уровне моря. Подземные залежи тория и урана испускают радиацию, как и каменные строения: камень, кирпич и штукатурка содержат радиоизотопы. Гранит, из которого построено здание Капитолия в США, настолько радиоактивен, что нарушает многие нормативы, установленные для атомных электростанций. Все живые ткани в той или иной степени радиоактивны: люди, как и бананы, излучают радиацию, поскольку и те и другие содержат небольшие количества радиоизотопа калия-40. В мышцах его больше, чем в других тканях, поэтому мужчины в целом радиоактивнее женщин. Бразильские орехи, содержащие радий в концентрации в тысячу раз выше, чем любой другой органический продукт, являются самой радиоактивной пищей в мире.

Радиация невидима и не имеет вкуса или запаха. Нам еще предстоит доказать, что до некоего уровня воздействие радиации полностью безопасно, однако она становится стопроцентно опасной, когда излучаемые частицы и волны обладают достаточной энергией, чтобы ионизировать (нарушить оболочку из электронов и превратить в заряженные ионы) атомы, составляющие ткани живых организмов. Такая радиация называется ионизирующим излучением.

Известны три основные формы ионизирующего излучения: альфа-частицы, бета-частицы и гамма-лучи. Альфа-частицы относительно крупные, они движутся медленно и не могут проникнуть через кожу; даже лист бумаги блокирует их движение. Но если им удается проникнуть в тело другими способами — если их проглотить или вдохнуть, — альфа-частицы могут вызвать тяжелое повреждение хромосом и смерть. Радон-222, скапливающийся в виде газа в непроветриваемых подвалах, заносит альфа-частицы в легкие, где они вызывают рак. Мощным источником альфа-излучения является один из канцерогенов, содержащихся в табачном дыме, — полоний-210. Этот яд, подсыпанный в чашку чая, убил в 2006 году в Лондоне бывшего офицера ФСБ Александра Литвиненко.

Бета-частицы меньше и движутся быстрее альфа-частиц, они могут проникать глубже в живые ткани, вызывая видимые ожоги кожи и длительные генетические повреждения. Лист бумаги не защищает от бета-частиц, а вот алюминиевая фольга — или достаточное расстояние — защитят. На расстоянии свыше 3 м бета-частицы не наносят ущерба, но они опасны, если попадут внутрь организма. Организм ошибочно принимает их за базовые элементы, и бета-излучающие радиоизотопы могут достигать смертельной концентрации в отдельных органах: стронций-90, относящийся к той же химической группе, что и кальций, накапливается в костях, рутений всасывается кишечником, йод-131 откладывается в щитовидной железе у детей и может вызвать рак.

Гамма-лучи — высокочастотные электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света — имеют наибольшую энергию из всех форм ионизирующего излучения. Они преодолевают большие расстояния, выводят из строя электронные приборы, задержать их могут только толстые слои вещества — бетона или свинца. Гамма-лучи беспрепятственно проходят через человеческое тело, пробивая клетки как микроскопические пули.

Если организм подвергается значительному ионизирующему излучению, это вызывает острую лучевую болезнь (ОЛБ), при которой ткани человеческого тела повреждаются и разрушаются на мельчайших уровнях. Симптомы лучевой болезни включают тошноту, рвоту, кровотечения и выпадение волос, после чего происходит разрушение иммунной системы и костного мозга, распад внутренних органов и, наконец, смерть.

У пионеров атомных исследований, которые изучали «лучистую материю» в конце XIX века, воздействие радиации вызывало живое любопытство. Вильгельм Рентген, открывший Х-лучи в 1895 году, был чрезвычайно заинтригован, увидев проекцию костей своей руки на стене лаборатории. Вскоре он сделал первую в мире фотографию в Х-лучах, сняв руку своей жены — вместе с обручальным кольцом, — и результат привел ее в ужас. «Я увидела свою смерть!» — сказала она. Позже Рентген начал предпринимать меры, чтобы защитить себя от воздействия своего открытия, другие исследователи не были столь осторожны. В 1896 году Эдисон изобрел флуороскоп, прибор, который проецировал Х-лучи на экран, позволяя заглянуть внутрь предметов. Во время этих опытов ассистент Эдисона многократно подставлял руки под Х-лучи. Когда на одной руке появились ожоги, ассистент стал подставлять другую. Однако ожоги не заживали. Со временем хирурги ампутировали ему левую руку и четыре пальца на правой. Когда рак распространился на всю правую руку, доктора отрезали и ее. Болезнь переместилась на грудь, и в октябре 1904 года он умер, став первой жертвой искусственной радиоактивности.

Даже когда стал очевиден вред от поверхностного воздействия радиации, опасность облучения внутренних тканей осознавали плохо. В начале ХХ столетия аптекари продавали средства, содержащие радий в качестве тонизирующего, и люди их пили, веря, что радиоактивность передает энергию. В 1903 году Мария и Пьер Кюри получили Нобелевскую премию за открытие полония и радия — источника альфа-частиц, примерно в миллион раз более радиоактивного, чем уран. Эти вещества они извлекали из тонн вязкой, смолистой руды в своей парижской лаборатории. Пьер Кюри погиб под колесами экипажа, когда переходил улицу, а его вдова продолжила исследовать свойства радиоактивных веществ — до самой своей смерти в 1934 году, вероятно в результате радиоактивного поражения костного мозга. Более чем 80 лет спустя записи, которые велись в лаборатории Кюри, оставались настолько радиоактивными, что их хранили в выложенной свинцом коробке.

Если смешивать радий с другими элементами, они светятся в темноте. Когда это стало известно, часовщики начали нанимать молодых женщин для нанесения флуоресцентных меток на циферблаты. На часовых фабриках в Нью-Джерси, Коннектикуте и Иллинойсе этих «радиевых девушек» учили облизывать кончик кисточки, прежде чем опустить ее в горшочек с радиевой краской. Когда челюсти и скелетные кости девушек стали гнить и распадаться, работодатели заявили, что они больны сифилисом. Однако начатый судебный процесс показал, что менеджеры знали о рисках работы с радием и скрывали это от работниц. Так публика впервые узнала об опасностях попадания радиоактивных материалов в организм.

Биологическое воздействие радиации на человеческое тело поначалу измеряли в бэрах (биологических эквивалентах рентгена), учитывая сложную комбинацию факторов: тип радиации, длительность облучения, сколько радиации проникло в тело и насколько облученные ткани уязвимы для радиации. Части тела, где клетки делятся быстро — костный мозг, кожа, желудочно-кишечный тракт, — больше подвержены рискам, чем сердце, печень и мозг. Некоторые радионуклиды, такие как радий и стронций, более интенсивно излучают радиацию и поэтому опаснее, чем, например, цезий или калий.

Выжившие в атомной бомбардировке жители Хиросимы и Нагасаки предоставили медикам первую возможность изучения острой лучевой болезни (ОЛБ) на большой выборке людей. Все выжившие стали субъектами проекта, растянувшегося более чем на 70 лет и создавшего универсальную базу данных по долгосрочному воздействию ионизирующей радиации на человека. Из тех, кто пережил взрыв в Нагасаки, 35 000 человек умерли в ближайшие сутки; заболевшие ОЛБ потеряли волосы за одну-две недели, затем у них начался кровавый понос и они умерли от инфекции и лихорадки. Еще 37 000 человек умерли в течение трех месяцев. Сравнимое число попавших под атомную бомбардировку прожило дольше, но спустя еще три года у них развилась лейкемия. К концу 1940-х годов эта болезнь станет первым видом рака, связанным с радиацией.

Воздействие ионизирующего излучения на неодушевленные предметы и на живых существ изучалось в конце 1950-х годов в ВВС США. В рамках правительственной программы создания самолетов на атомной тяге компания Lockheed Aircraft построила 10-мегаваттный ядерный реактор с водяным охлаждением в подземной шахте в лесах Северной Джорджии. Нажатием кнопки реактор можно было поднять из защитного кожуха на уровень земли, подвергнув все в радиусе 300 м воздействию смертельной дозы радиации. В июне 1959 года этот реактор радиационного воздействия был выведен на полную мощность и впервые испытан, убив почти все живое в окрестностях объекта: насекомые падали в воздухе, мелкие животные и живущие на них и в них бактерии погибли (этот феномен назвали «моментальной таксидермией»). Воздействие на растения было различным: дубы пожухли, а трава-росичка странным образом не пострадала; больше всего досталось соснам. Изменения предметов, попавших в зону действия реактора, тоже казались загадочными: прозрачные бутылки с кока-колой стали коричневыми, приборы на транзисторах перестали работать, гидравлическая жидкость коагулировала до консистенции жевательной резинки, а резиновые шины стали твердыми как камень.

При этом, каким бы интенсивным ни было облучение человека ионизирующей радиацией, оно редко сопровождалось заметными ощущениями. Человек может купаться в гамма-лучах, способных убить его 100 раз, и ничего не ощущать при этом.

21 августа 1945 года, за две недели до того, как атомная бомба была сброшена США на Хиросиму, Гарри Даглян-младший, 24-летний физик, участвовавший в ядерном Манхэттенском проекте, проводил эксперимент на базе в Лос-Аламосе в штате Нью-Мексико. Внезапно рука его дрогнула, и конструкция, которую он составил, — шар из плутония, окруженный брусками карбида вольфрама, — перешла в критическую фазу. Даглян увидел моментальную синюю вспышку и был поражен волной гамма-лучей и нейтронной радиации свыше 500 бэр. Он быстро разобрал установку и сразу обратился к врачам. Те не отметили никаких видимых симптомов, но радиация убила ученого с той же неотвратимостью, как если бы он шагнул под поезд. Двадцать пять дней спустя Даглян впал в кому и уже из нее не вышел — первый человек в истории, случайно погибший от близкого воздействия реакции ядерного распада. Газета The New York Times назвала причиной смерти ожоги, полученные в результате «аварии на производстве».

С самого начала ядерная энергетика стремилась выйти из тени своего военного прошлого. Первый ядерный реактор, собранный под трибунами заброшенного футбольного стадиона Университета Чикаго в 1942 году, стал наковальней Манхэттенского проекта, важнейшим первым этапом для наработки плутония-239. Этот делящийся материал требовался, чтобы выковать первое в мире атомное оружие. Последующие реакторы, построенные на полосе земли вдоль реки Колумбия в Хэнфорде, штат Вашингтон, были сооружены только для того, чтобы вырабатывать плутоний для атомных бомб растущего арсенала Соединенных Штатов. Военно-морские силы США выбрали конструкцию реактора, в дальнейшем использованную почти для всех гражданских энергетических станций в стране. Первая в США атомная станция для гражданских нужд была спроектирована по чертежам реактора для атомного авианосца.

СССР пошел по тому же пути. Первая советская атомная бомба — РДС-1, или «Изделие 501», как называли ее создатели, — была взорвана 29 августа 1949 года в казахстанских степях, на полигоне, расположенном в 140 км к северо-западу от Семипалатинска. Советский атомный проект, получивший кодовое название «Программа номер один», возглавил 46-летний физик с бородой спиритиста Викторианской эпохи Игорь Курчатов, в котором кураторы из НКВД отмечали скрытность и политическую неоднозначность. Первая советская бомба была точной копией бомбы «Толстяк» (Fat Man), за четыре года до того уничтожившей Нагасаки, и имела плутониевое ядро, произведенное на реакторе «А», или «Аннушка», построенном по образцу реакторов в Хэнфорде.

Добиться успеха Курчатову помогли наличие нескольких глубоко внедрившихся в американский атомный проект советских шпионов и информация, содержавшаяся в изданной правительством США в 1945 году и успешно расходившейся книге «Атомная энергия для военных целей» (Atomic Energy for Military Purposes), которую тут же перевели в Москве. Ядерные исследования были возложены на вновь сформированное Первое главное управление при СНК СССР и «атомное политбюро» под надзором подручного Сталина Лаврентия Берии, возглавлявшего Народный комиссариат внутренних дел, предшественник КГБ. С самого начала советский ядерный проект развивался в условиях жестокой спешки и параноидальной секретности. К 1950 году в распоряжении Первого главного управления находились 700 000 человек, более половины из них заключенные, включая 50 000 военнопленных, работавших в том числе на урановых рудниках. Когда сроки заключения этих мужчин и женщин подошли к концу, их посадили в товарные вагоны и отправили в ссылку на Крайнем Севере, чтобы они не смогли никому рассказать, чему стали свидетелями. Многих никогда больше не видели. Когда команда Курчатова добилась успеха, Берия вознаградил их — в той же пропорции, которую предназначал им в случае неудачи. Те, кого он приказал бы расстрелять немедленно, — Курчатов и Николай Доллежаль, автор проекта реактора «Аннушка», — вместо этого были удостоены звания Героя Социалистического Труда, дач, персональных автомобилей и денежных премий. Те же, кого ждали максимальные тюремные сроки, вместо этого получили вторую по значимости награду — ордена Ленина.

К тому времени как «Изделие» было испытано, Курчатов решил создать реактор для выработки электричества. В 1950 году во вновь построенном закрытом городе Обнинске в двух часах езды на юго-запад от Москвы та же группа, которая построила «Аннушку», принялась за работу над новым реактором, предназначенным для превращения воды в пар и вращения турбины. Ресурсов не хватало, и некоторые участники ядерной программы считали, что от энергетического реактора не будет практической пользы. Берия дал разрешение на этот проект исключительно благодаря заслугам Курчатова как отца бомбы. И только в конце 1952 года власть признала перспективность ядерной энергетики, сформировав для создания реакторов Научно-исследовательский и конструкторский институт энергетических технологий (НИКИЭТ).

На следующий год СССР испытал первое термоядерное устройство — в тысячу раз более разрушительную, чем атомная, водородную бомбу. Теперь в мире появились две ядерные сверхдержавы — США и СССР, теоретически способные уничтожить человечество. Даже Курчатов был потрясен мощью нового оружия, которое превращало поверхностный слой земли в стекло в радиусе 5 км от эпицентра взрыва. Не прошло и четырех месяцев, как президент США Дуайт Эйзенхауэр выступил с речью «Атомы для мира» перед Генеральной Ассамблеей ООН. Отчасти это была попытка успокоить американское общество, перед которым открылась перспектива апокалипсиса. Эйзенхауэр призвал страны к глобальному сотрудничеству, чтобы сдержать начинающуюся гонку вооружений и направить силу атома на благо человечества. Он предложил созвать международную конференцию для рассмотрения этих вопросов. Никто особенно не удивился, когда СССР публично отверг эту идею, объявив ее пустой пропагандой.

Однако в августе 1955 года Международная конференция ООН по мирному использованию атомной энергии все же собралась в Женеве, и советская делегация туда прибыла. Это был первый случай за 20 лет, когда советским ученым было разрешено общаться с иностранными коллегами, и они нанесли свой пропагандистский удар. Было объявлено, что 27 июня прошедшего года в СССР к московской энергосети успешно подключили обнинский реактор АМ-1.

Первый в мире ядерный реактор, вырабатывавший электричество в гражданских целях, в СССР окрестили «Атомом Мирным-1» (АМ-1). До пуска первой американской АЭС в Шиппингпорте, штат Пенсильвания, оставалось два года. Расположенный в причудливом здании с высокой трубой, напоминавшем шоколадную фабрику, АМ-1 давал всего 5 мегаватт энергии. Этого хватило бы от силы для того, чтобы привести в движение локомотив, однако обнинский реактор символизировал способность социалистической системы поставить ядерную энергию на благо человечества. Рождение советской ядерной энергетики положило начало новому противостоянию — технологической холодной войне между сверхдержавами.

Вскоре после смерти Сталина в 1953 году Берия был арестован, заключен в тюрьму и расстрелян. Первое главное управление переформировали и переименовали. Теперь вопросами атомной энергии — от добычи урана до испытаний бомб — занималось Министерство среднего машиностроения, сокращенно Минсредмаш или просто Средмаш. Новый премьер Никита Хрущев положил конец эпохе сталинских репрессий, либеральнее относился к искусствам, поддерживал развитие высоких технологий и обещал к 1980 году построить в СССР коммунизм — утопию вроде Шангри-Ла, гарантирующую трудящимся равенство и изобилие. Чтобы модернизировать экономику и крепче удерживать власть, Хрущев выступал за освоение космоса и развитие ядерных технологий.

В успехе АМ-1 советские физики и их партийные боссы увидели панацею, которая, наконец, поможет СССР освободиться от ограничений прошлого и продвинуться в светлое будущее. Людям, все еще восстанавливавшим разрушенную войной страну, обнинский реактор наглядно демонстрировал, что СССР может быть мировым технологическим лидером в интересах обычных граждан, принося свет и тепло в их дома. Физики, работавшие на АМ-1, получили Ленинскую премию, энергию атома воспевали в журнальных статьях, фильмах и радиопередачах, в школах детям рассказывали об основах ядерной энергетики и о мирных целях советской ядерной программы в отличие от милитаристских устремлений США. По словам историка Пола Джозефсона, ученые-ядерщики стали «почти мифологическими фигурами в пантеоне советских героев» — наряду с космонавтами и павшими героями Великой Отечественной войны.

Однако маленький реактор в Обнинске был не тем, чем казался на первый взгляд. Его конструктивные особенности были заточены не на выработку электричества, а для быстрого и дешевого производства оружейного плутония. Реактор начинала строить та же команда Минсредмаша, которая создала «Аннушку», но коррозия материалов, утечки радиации и ненадежность инструментов помешали им завершить задачу. В основу АМ легли технологии, разработанные для атомных подводных лодок, и только когда идея была сочтена непрактичной, кодовое название АМ — «Атом Морской» — заменили на более невинное.

Родовой особенностью этого реактора была нестабильность работы.

В ядерном оружии огромное число ядер атомов урана распадается в доли секунды, высвобождая всю свою энергию в разрушительной вспышке огня и света. В реакторе процесс деления должен быть управляемым и осторожно поддерживаемым в течение недель, месяцев и даже лет. Для этого требуются три компонента: замедлитель, стержни управления и охладитель.

Простейшая форма ядерного реактора не требует никакого оборудования вообще. Если имеется нужное количество урана-235 в присутствии замедлителя нейтронов — воды или графита, начинается самоподдерживающаяся цепная реакция с выделением ядерной энергии в виде тепла. Некогда комбинация обстоятельств, необходимых для такого события, — критичность — спонтанно возникла на территории современного государства Габон, в древних подземных залежах урана, где замедлителем служили грунтовые воды. Там самоподдерживающаяся цепная реакция началась 2 млрд лет назад, производя небольшие количества тепловой энергии — в среднем около 100 киловатт (достаточно, чтобы зажечь 1000 стоваттных лампочек), и безостановочно продолжалась миллион лет, пока вода не выкипела от тепла распада.

Но для генерации энергии в ядерном реакторе поведение нейтронов необходимо контролировать, чтобы обеспечить постоянство реакции и использовать тепловую энергию деления для получения электричества. В идеале каждая отдельная реакция деления должна запускать лишь одно следующее деление в соседнем атоме, так что каждое последующее поколение нейтронов должно содержать то же самое их число, что и поколение до него, и реактор должен оставаться в том же критическом состоянии.

Если каждое деление не создает столько же нейтронов, как предыдущее, реактор переходит в субкритическое состояние, цепная реакция ослабевает и со временем останавливается, реактор «глохнет». Если же каждое поколение нейтронов приносит более одного деления, цепная реакция может начать расти слишком быстро — к потенциально неуправляемой сверхкритичности и внезапному значительному выбросу энергии, как это происходит в ядерном оружии. Поддержание стабильного состояния между этими двумя крайностями — тонкая задача. Первым инженерам-ядерщикам пришлось создать инструменты для овладения силами, опасно близкими к пределам человеческих возможностей управления.

Масштаб субатомной активности внутри ядерного реактора, микроскопической и невидимой, трудно воспринять: генерация электрической мощности в 1 ватт требует деления 30 млрд ядер атомов в секунду. Около 99% нейтронов, выбрасываемых при одном событии деления, являются частицами высокой энергии — «быстрыми» нейтронами, вылетающими со скоростью 20 000 км/с. Быстрые нейтроны ударяют своих соседей и вызывают последующее деление, продолжая цепную реакцию в среднем в течение всего 10 наносекунд. Этот отрезок времени остроумцы американского Манхэттенского проекта измеряли в «шейках» от английского выражения «two shakes of a lamb’s tail», «два дрожания хвоста ягненка». Он слишком краток, чтобы в течение него можно было управлять какими-либо механическими средствами. К счастью, среди оставшегося 1% нейтронов, высвобождаемых каждым распадом, есть меньшинство, испускаемое в более доступных человеку временны́х рамках, которые измеряются секундами или даже минутами. Существование этих запаздывающих нейтронов, появляющихся достаточно медленно, чтобы ими мог управлять человек, и делает возможной работу ядерного реактора.

Плавно управлять нарастанием цепной реакции позволяют электромеханические стержни, содержащие такие поглощающие нейтроны элементы, как борид кадмия или карбид бора. Они действуют как «атомные губки», впитывая и удерживая запаздывающие нейтроны, предотвращая запуск дальнейшего деления. Когда стержни вставлены в реактор полностью, активная зона реактора остается в субкритическом состоянии. По мере их вытаскивания деление медленно нарастает, пока реактор не становится критическим — затем он может быть оставлен в этом состоянии и регулироваться по необходимости. Вытаскивание стержней выше или в большем числе увеличивает реактивность и количество вырабатываемого тепла и энергии, введение дает противоположный эффект. Но работа с реактором с использованием только этой части в менее чем 1% всех нейтронов деления делает процесс управления очень чувствительным: если стержни выдвигаются слишком быстро, слишком далеко — или не срабатывает одна из нескольких защитных систем, — реактор может захлебнуться от делений и его состояние станет «надкритическим». Результатом будет авария, катастрофический сценарий, при котором случайно запускается процесс, схожий с тем, что происходит в атомной бомбе, и неконтролируемый выброс энергии нарастает, пока активная зона реактора не расплавится — или не взорвется.

Для выработки электричества урановое топливо внутри реактора должно разогреться достаточно для того, чтобы превращать воду в пар, но не настолько, чтобы само топливо начало плавиться. Для этого, помимо стержней управления и нейтронного замедлителя, нужен охладитель для отвода избыточного тепла из реактора. Первые реакторы, построенные в Великобритании, использовали графит в качестве замедлителя и воздух как охладитель; позднее коммерческие американские модели использовали кипящую воду и как замедлитель, и как охладитель. У обоих конструкций имелись выраженные риски и преимущества. Вода не горит, но превращение ее в пар под давлением может вызвать взрыв. Графит не взрывается, но загорается при высоких температурах. Первые советские реакторы, скопированные с образцов Манхэттенского проекта, использовали и графит, и воду. Это была рискованная комбинация: замедлитель, который при высоких температурах яростно горит (графит), и взрывоопасный охладитель (вода).

Три соревнующиеся между собой команды физиков дали начальные предложения для того, что стало затем реактором АМ-1. Первая предложила разрабатывать водно-графитовый вариант, вторая — использовать графит как замедлитель и гелий как охладитель, третья — попробовать в качестве замедлителя берилл. У советских инженеров, занимавшихся установками по производству плутония, было больше опыта в работе с водно-графитовыми реакторами. Кроме того, последние были дешевле и проще в строительстве. Поэтому у менее разработанных (и потенциально более безопасных) решений просто не было шансов.

Только на поздних этапах строительства АМ-1 физики в Обнинске обнаружили рискованное место проекта: протечка охлаждающей воды на горячий графит могла привести не только к взрыву и радиоактивному выбросу, но и к аварии реактора. Запуск АМ-1 неоднократно откладывали, разрабатывая системы безопасности, способные решить эту проблему. Но, когда в июне 1954 года АМ-1 вышел наконец на критический режим, оставался еще один принципиальный недостаток, который так и не устранили: феномен, известный как положительный паровой (пустотный) коэффициент реактивности.

При нормальной работе все охлаждаемые водой водно-графитовые ядерные реакторы содержат некоторое количество пара, циркулирующего в активной зоне и образующего в жидкости пузыри или «пустоты». Вода более эффективно замедляет нейтроны, чем пар, поэтому число пузырьков пара в воде влияет на реактивность активной зоны. В водо-водяных реакторах, где вода используется и как замедлитель, и как охладитель, по мере нарастания объема пара замедляется меньше нейтронов и реактивность падает. Если пара образуется слишком много (или если охладитель вытекает полностью), цепная реакция останавливается и реактор глохнет. Отрицательный паровой коэффициент срабатывает как автоматический размыкатель, «рукоятка мертвеца», важное условие безопасности водо-водяных реакторов, распространенных на Западе.

Но в водно-графитовых реакторах, каковым был АМ-1, все происходит противоположным образом. По мере разогрева реактора и превращения все большего количества воды в пар графитный замедлитель продолжает выполнять свою функцию, как и ранее. Цепная реакция продолжает нарастать, вода нагревается сильнее, и еще большее ее количество становится паром. Пар, в свою очередь, поглощает меньше и меньше нейтронов, и цепная реакция продолжает ускоряться в петле обратной связи растущей мощности и температуры. Чтобы остановить или замедлить процесс, операторы должны вдвигать управляющие стержни. Если они по какой-либо причине откажут, реактор станет неуправляемым, расплавится или взорвется. Этот положительный паровой коэффициент оставался фатальным свойством реактора АМ-1 и угрозой для работы каждого последующего советского водно-графитового реактора.

20 февраля 1956 года Игорь Курчатов впервые появился перед публикой. Более десяти лет, с 1942 года, отец советской атомной бомбы был окружен завесой государственной тайны, работая в засекреченных лабораториях Москвы и Обнинска и на полигонах в Казахстане. Теперь он стоял перед делегатами XX съезда КПСС в Москве и рассказывал о фантастических перспективах СССР, который получит ядерную энергию. В короткой зажигательной речи Курчатов рисовал впечатляющую картину строительства новейших реакторов и футуристической Коммунистической империи, просторы которой будут бороздить корабли, поезда и самолеты на атомной тяге. Он предсказывал, что дешевое электричество вскоре придет в каждый уголок Союза. Он обещал, что всего через четыре года ядерный потенциал страны достигнет 2 млн киловатт — в 400 раз больше, чем производила станция в Обнинске.

Для реализации этого захватывающего замысла Курчатов — назначенный главой Института атомной энергии — убедил руководство Средмаша построить четыре различных прототипа реакторов. Из них он надеялся выбрать конструкцию, которая ляжет в основу советской ядерной отрасли. Но сначала нужно было завоевать расположение экономических бонз Госплана, которые контролировали распределение ресурсов в СССР. Отдел энергетики и электрификации Госплана определял все — начиная с сумм, которые будут выделены на строительство каждой станции, и заканчивая количеством электроэнергии, которое она должна вырабатывать по завершении строительства. В Госплане мало интересовались идеологией, престижем страны или триумфом социалистических технологий. Там добивались рациональной экономики и ощутимых результатов.

И на Западе, и в СССР заявления ученых о том, как атомная энергия уже скоро и без особых затрат составит конкуренцию традиционной электроэнергетике, основывались на ничем не обоснованных иллюзиях: «электричество будет таким дешевым, что его даже не нужно будет измерять» (too cheap to meter). Но энтузиасты развития атомной энергетики в СССР не могли рассчитывать на доходы от продажи акций или на рыночные инвестиции. Экономика была не на их стороне: расходы на строительство каждого ядерного реактора были колоссальными, в то время как СССР был богат ископаемыми углеводородами — особенно в Сибири, где находили все новые месторождения нефти и газа.

И все же гигантские размеры и неразвитость инфраструктуры Советского Союза были аргументами в пользу атомной энергии. Ученые напоминали, что сибирские месторождения расположены за тысячи километров от тех регионов, где они востребованы, ведь основная часть населения и производственного потенциала располагались в западной части страны. Транспортировать сырье или электроэнергию на такие расстояния было дорого и неэффективно. Кроме того, главные конкуренты атомных станций — гидроэлектростанции — требовали затопления огромного количества ценных сельскохозяйственных площадей. АЭС, пусть и дорогие в строительстве, оказывали незначительное воздействие на окружающую среду, мало зависели от природных ресурсов, их можно было строить рядом с крупными городами с их производствами, и в перспективе они могли давать огромное количество электроэнергии.

Очевидно убежденные обещаниями Курчатова, руководители Госплана выделили средства на два прототипа станций: одну — с реактором с водой под давлением (ВВЭР), того образца, что уже становился стандартом в Соединенных Штатах, и другую — с водно-графитовым реактором канального типа — увеличенную версию АМ-1. Но, как это случилось и на Западе, стоимость строительства многократно возросла, и в Госплане заподозрили, что ученые ввели их в заблуждение. Планы пересмотрели, работы по созданию ВВЭР были остановлены, и атомное будущее, которое живописал Курчатов, стало рушиться. Он требовал возобновить финансирование, писал начальнику Госплана, что эти планы жизненно необходимы для определения будущего советского атома. Но просьбы его не были услышаны, и в 1960 году Курчатов умер, не дождавшись осуществления своей мечты.

Тем временем Министерство среднего машиностроения завершило новый проект в Западной Сибири, спрятанный на секретной площадке, известной как Комбинат №816 или Томск-7. ЭИ-2, он же «Иван Второй», был большим военным водно-графитовым реактором. Его предшественник, И-1, «Иван Первый», был моделью, построенной исключительно для производства плутония для ядерных боеголовок. Реактор ЭИ-2 выполнял две задачи одновременно: производил оружейный плутоний, а в качестве побочного продукта еще и генерировал 100 мегаватт (МВт) электроэнергии. Через два года после смерти Курчатова работы по советской гражданской ядерной программе были возобновлены (уже с отставанием от конкурентов в Соединенных Штатах). Упор делался на недорогие в строительстве и дешевые в эксплуатации реакторы. На тот момент это были не сложные экспериментальные реакторы гражданской ядерной программы Игоря Курчатова, а мощный «Иван Второй», готовый нести атомное знамя Советского Союза.

Менее чем через год после того, как Игорь Курчатов представлял свое имперское видение вооруженного атомной энергией СССР делегатам партсъезда в Москве, улыбчивая молодая королева Елизавета II участвовала в церемонии открытия атомной электростанции «Колдер Холл» на северо-западе Англии. Потянув рычаг ручкой в элегантной перчатке, она увидела, как стрелка на большом счетчике начала вращаться, показывая, что первое атомное электричество вливается в Британскую национальную сеть от одного из двух реакторов станции с газовым охлаждением. Было объявлено, что это запуск первой коммерческой АЭС в мире, заря новой промышленной революции и триумф тех, кто хранил веру в мирный атом, пока остальные боялись, что он принесет только разрушение. «Это эпохальный день!» — сказал радиокомментатор.

Это был пропагандистский маневр. Правда заключалась в том, что АЭС «Колдер Холл» построили для производства британского оружейного плутония. Электричество, которое она вырабатывала, было дорогостоящим фиговым листком. Корни гражданской ядерной отрасли не только тесно переплелись с военными технологиями, на которые она опиралась, но и опутали умы ее участникам. Даже на Западе ученые-ядерщики продолжали работать в сфере секретности и нескончаемой гонки: в среде, где рискованные эксперименты подчас заканчивались нежеланием властей признавать, что что-то пошло не так.

Через год после запуска «Колдер Холл», в октябре 1957 года, техники на близлежащем реакторе-размножителе в Виндскейле пытались решить почти невозможную задачу — произвести в срок необходимый для британской водородной бомбы тритий. Персонала безнадежно не хватало, и люди работали с технологиями, которые не полностью понимали сами. В условиях цейтнота не всегда выполнялись и требования безопасности. 9 октября на реакторе №1 в Виндскейле загорелись 2000 т графита. Графит горел двое суток, разнося радиацию по Соединенному Королевству и Европе и загрязняя окрестные молочные фермы радиоактивным изотопом йод-131. Наконец директор станции распорядился залить кучу графита водой, не зная, потушит ли это огонь или вызовет взрыв, от которого значительная часть Великобритании станет непригодной для жизни. Когда впоследствии комиссия, назначенная расследовать происшествие, подготовила подробный отчет, премьер-министр Великобритании приказал изъять все экземпляры, кроме двух или трех, и рассыпать набор. В опубликованной выхолощенной версии отчета вину за пожар возложили на операторов АЭС. Масштаб этой аварии британское правительство отказывалось признавать еще 30 лет.

Тем временем в СССР ядерная секретность достигла новых высот. При Хрущеве советские ученые-ядерщики стали пользоваться невиданной самостоятельностью, а общество, поощряемое без лишних вопросов верить в новых богов науки и технологий, держали в неведении. В этой пьянящей атмосфере первые успехи в обуздании силы мирного атома сделали физиков опасно самоуверенными. Они проектировали передвижные ядерные реакторы, которые могли передвигаться по суше на танковом шасси или плавать в Арктике, конструировали, как и их коллеги в США, атомные самолеты и даже использовали гамма-лучи для продления сроков хранения куриных тушек и клубники. Они взрывали ядерные боеприпасы для тушения пожаров и создания подземных емкостей, ограничивая мощность взрывов, только если от сейсмических толчков начинали рушиться соседние здания.

После смерти Игоря Курчатова Институту атомной энергии присвоили его имя, а лидерство в советской ядерной науке перешло к его ученику Анатолию Александрову. Импозантный мужчина со сверкающей лысиной, который помогал строить первые реакторы для производства плутония, в 1960 году был назначен директором Курчатовского института. Александров был убежденным коммунистом. Он верил в науку как в инструмент советской экономической мечты и монументальные проекты ставил выше самых современных исследований. Наступала эпоха застоя, и советская научная бюрократия щедро тратила ресурсы на то, что считалось неотложными государственными приоритетами — космические исследования, идеи поворота рек, ядерную энергетику. В перспективных развивающихся технологиях, включая компьютеры, генетику и оптоволокно, СССР уже заметно отставал. Александров курировал конструирование реакторов для ледоколов и атомных подлодок, а также прототипов новых графитных реакторов канального типа для АЭС. Чтобы сократить расходы на эти проекты, он требовал экономить и увеличивать размеры до колоссальных пропорций, использовать стандартные комплектующие и материалы. Он не видел никаких оснований считать, что производство реакторов принципиально отличается от выпуска танков или комбайнов. Александров считал серийное производство больших реакторов важнейшим для развития советской экономики, а атомную энергию — средством осуществления титанических замыслов по озеленению пустынь, устройству тропических оазисов в Арктике и сравниванию неудачно расположенных гор атомными бомбами — или по «исправлению ошибок природы».

Несмотря на свой размах и политическое влияние, Александров не обладал полнотой власти в советской ядерной науке. Над ним нависала грозная непреклонная мощь Министерства среднего машиностроения и его воинственного шефа, ветерана революции Ефима Славского, в разных кругах известного как Большой Ефим и Аятолла. Хотя в молодости они воевали в Гражданской войне на разных сторонах (Славский — комиссаром в красной коннице, а Александров — в Белой гвардии), два атомных магната были близки и любили вспоминать былое за водкой и коньяком. Но по мере усиления холодной войны военно-промышленные требования Минсредмаша возобладали над чистой наукой Курчатовского института. Приоритетность программы атомных вооружений позволила министерству установить контроль над всей обширной ядерной империей с ее учеными, войсками, лабораториями, заводами, больницами, учебными заведениями и полигонами. Средмаш распоряжался почти неограниченными ресурсами — от золотых рудников до атомных станций, скрытых непроницаемой завесой тайны.

Названия средмашевских объектов — от институтов в Москве и Ленинграде до целых городов — были засекречены, даже работавшие там люди знали их как «почтовые ящики», различавшиеся по номеру. Возглавляемое Ефимом Славским, многоопытным политическим деятелем с большими связями на самом верху, министерство было закрытым, почти полностью автономным государством в государстве.

В параноидальном режиме постоянной военной угрозы, который поддерживался в Средмаше, любое происшествие — неважно, насколько значительное, — автоматически становилось государственной тайной, охраняемой КГБ. Даже когда советская ядерная энергетика в середине 1960-х годов стала быстро набирать обороты, секретность сохранялась. В ходе бюрократических пертурбаций, последовавших за смещением Хрущева, в 1966 году ответственность за работу новых атомных станций в СССР возложили на гражданское Министерство энергетики и электрификации. Однако все остальное — конструирование и технический надзор за действующими реакторами, разработка перспективных моделей и все аспекты топливного цикла — оставалось в руках Министерства среднего машиностроения.

Как одна из 12 стран — основательниц Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), СССР с 1957 года принял на себя обязательство сообщать о любых ядерных инцидентах, происшедших на его территории. Но ни об одном из десятков опасных происшествий, случившихся на советских ядерных предприятиях за все последующие десятилетия, в МАГАТЭ не сообщили. На протяжении почти 30 лет советское общество и окружающий мир убеждали в том, что советская ядерная энергетика — самая безопасная в мире.

Цена сохранения этой иллюзии была высокой.

В 16:20 в воскресенье, 29 сентября 1957 года, мощный взрыв прогремел внутри периметра Челябинска-40. Это строго засекреченное учреждение Средмаша на Южном Урале нельзя было найти ни на одной гражданской карте. Запретная зона включала химкомбинат (ныне производственное объединение) «Маяк» — комплекс реакторов по производству плутония и радиохимических фабрик, построенных руками заключенных — и собственно Челябинск-40, комфортабельный закрытый город, где проживал высококвалифицированный технический персонал. Стоял теплый солнечный день, на городском стадионе шел футбольный матч. Когда раздался взрыв, болельщики решили, что это заключенные в ближней промышленной зоне расчищают место под очередной котлован. Матч продолжался.

Но это было не строительство, а взрыв в подземном отстойнике, заполненном высокорадиоактивными отходами переработки плутония. Все произошло спонтанно в результате отказа систем охлаждения и контроля температуры. Взрывная волна подбросила бетонную крышку отстойника весом 160 т на 20 м в воздух, выбила окна в ближайших бараках для заключенных, сорвала металлические ворота. В небо поднялся километровый столб дыма и пыли. Через несколько часов вся промзона была покрыта слоем серого радиоактивного пепла и обломков — толщиной в несколько сантиметров. Вскоре работавшие там солдаты стали поступать в госпиталь — с кровотечениями и рвотой.

Никаких чрезвычайных планов на случай радиационного происшествия в Челябинске-40 не имелось, поначалу никто не понял, с чем они столкнулись. Только через насколько часов руководителей предприятия, уехавших в командировку, нашли на цирковом представлении в Москве. К тому времени радиоактивное заражение начало распространяться по Уралу — 2 млн кюри, — выпав смертельной полосой шириной 6 км и длиной почти 50 км. На следующий день на близлежащие деревни пролился небольшой дождь и выпал толстый покров черного снега. Для очистки запретной зоны потребовался год. Так называемая «ликвидация» последствий взрыва была начата солдатами срочной службы, которые забегали в зараженную зону и лопатами сбрасывали обломки хранилища отходов в ближайшее болото. Городские власти Челябинска-40, очевидно обеспокоенные вероятностью массовой паники больше, чем угрозой радиации, пытались заглушить новости о случившемся. Но слухи все же распространились через инженеров и техников, и почти 3000 работников покинули закрытый город, предпочитая испытывать судьбу на «большой земле», как здесь говорили, чем оставаться в уютных, но зараженных домах.

В отдаленных деревнях женщинам и детям велели выкапывать картофель и свеклу, но сваливать их в траншеи, вырытые бульдозерами, под присмотром людей в защитной одежде и в респираторах. Солдаты согнали крестьянских коров к ямам и перестреляли их. В течение двух лет 10 000 человек были эвакуированы. Целые поселения были запаханы в землю, 23 деревни стерты с карты, воздействию радиоактивности опасного уровня подверглись около полумиллиона человек.

Слухи о том, что произошло на «Маяке», достигли Запада, но Челябинск-40 входил в число ревностно охраняемых военных объектов, и советское правительство отказывалось признавать само его существование, не говоря уже о том, чтобы рассказать, что там произошло. Для аэрофотосъемки этой области ЦРУ использовало высотные самолеты-разведчики У-2. Во время второго такого полета в мае 1960 года самолет, управляемый пилотом Фрэнсисом Гэри Пауэрсом, был сбит советской ракетой СА-2 класса «земля — воздух», что стало одним из важнейших событий холодной войны.

Правда выяснилась только через десятилетия, но катастрофа на «Маяке» долгие годы оставалась худшим радиационным инцидентом в истории.

Отправить