Радиоактивная левитация

Уже сейчас становится ясно, что одна из главнейших проблем ядерной технологии — уничтожение радиоактивных отходов. Эти невероятно опасные вещества стоят особняком в ряду прочих отбросов современного производства: они не подвергаются вторичной переработке и нуждаются в надежной изоляции на столетия, пока их радиоактивность не снизится до приемлемого уровня. Не так давно — вполне в духе фирмы КОШМАР — было выдвинуто предложение направлять радиоактивные отходы в глубь Земли, используя нисходящие конвекционные потоки в мантии планеты. Теперь Дедал предлагает иной и едва ли более технологичный способ расправляться с радиоактивным «мусором» — выбрасывать его в космическое пространство. Для этой цели Дедал изобретает радиоактивную ракету. Многие тяжелые радиоактивные ядра при распаде испускают альфа-частицу, испытывая при этом значительную отдачу. Если бы все альфа-частицы испускались в одном направлении, можно было бы получить постоянную тягу.

Вначале Дедал хотел поместить радиоактивное вещество в магнитное поле, чтобы все ядра ориентировались одинаково, но затем решил, что гораздо проще будет установить экран, позволяющий альфа-частицам вылетать только в одном направлении. По его расчетам, радиоактивное вещество с периодом полураспада меньше суток способно преодолеть земное притяжение! Вещества с более коротким периодом полураспада смогут поднять груз, превышающий их собственный вес. Поэтому специалисты по ядерным реакторам фирмы КОШМАР пытаются установить такой режим работы реактора, который обеспечивал бы получение короткоживущих изотопов в количестве, достаточном, чтобы они могли потянуть за собой все отходы. Масса каждой отдельной ракеты может исчисляться килограммами или даже граммами — расчет не накладывает никаких ограничений на абсолютную массу вещества; эти ракеты будут бесшумно взмывать вверх, унося от реактора свой страшный груз. Чтобы придать проекту законченность, Дедал предлагает направлять эти ракеты иа Солнце. Испускаемые ракетой альфа-частицы, поглощаясь в воздухе, создадут яркий шлейф, но не достигнут поверхности Земли. К сожалению, подобный проект едва ли пригоден для наземного транспорта.

New Scientist, January 7, 1971

Пусть мы имеем М кг радиоактивного изотопа с молярной массой А. Тогда в образце содержится N = MN_A/A атомов, где N_А — число Авогадро. Если период полураспада составляет τ_1/2 с, то число распадов на один атом в 1 с равно ln 2/τ_1/2, а для всей массы М число распадов в секунду составляет n = N×ln2/τ_1/2 = ln2×MN_A/Aτ_1/2.

При каждом распаде вылетает альфа-частица с массой m и энергией Е = mv²/2, импульс которой равен mv = (2Em)^1/2. Путем простого экранирования образца мы можем направить примерно 1/6 импульса вниз, около 1/3 импульса рассеется радиально в стороны, а составляющая импулы а, направленная вверх, будет равна нулю (рис. 1).

Результирующая тяга равна (точка сверху обозначает дифференцирование по времени):

Под действием этой силы масса М получает ускорение:

Учитывая, что N_A = 6,02×10²³ моль^-1, а масса альфа-частицы m = 6,67×10^-27 кг, получим

где k = 8,0×10⁹ кг^1/2/моль.

Альфа-частицы имеют обычно энергию порядка 1 МэВ (1,6×10¹³ Дж). Чтобы наш изотоп взлетел, его ускорение а должно быть больше g. Возьмем какой-нибудь «энергичный» изотоп, например ²⁵⁰Fm: тогда А = 0,250 кг/моль, τ_1/2 = 1800 с, Е = 7,43 МэВ, получаем а = 19 м/с²; для ²⁴⁸Es (А = 0,248 кг/моль, τ_1/2 = 1500 с, Е = 6,87 МэВ) получаем а = 23 м/с². Похоже, что правильно подобранный изотоп не только поднимет собственный вес, но и унесет с собой такое же или даже большее количество других отходов.

Если подать на экран положительный электрический потенциал в несколько MB, чтобы все положительно заряженные частицы (а не 1/6 их числа) отражались от экрана вниз, можно увеличить тягу еще в 6 раз.

Управление полетом. Наиболее очевидное решение — устроить на экране подвижные закрылки, которые перехватывают часть бокового излучения, изменяя тем самым направление результирующего импульса (рис. 2).

Для уменьшения веса аппарата бортовое оборудование следует свести к минимуму и управлять им с Земли. Какой формы должен быть экран, чтобы он прн минимальной массе наиболее эффективно задерживал излучение? Края плоской пластины можно сделать тоньше, поскольку частицы будут пересекать ее под углом (рис. 3).

Можно изготовить защитную оболочку логарифмического профиля, чтобы все альфа-частицы падали на нее под тупым углом (рис. 4).

Дополнительное достоинство такой оболочки состоит в том, что при движении в земной атмосфере дополнительное экранирование будет обеспечивать находящийся в ней воздух.

Выбор траектории. В отличие от обычных ракет радиоактивная ракета создает тягу в течение продолжительного времени, но эта тяга экспоненциально убывает со временем. Однако по мере удаления ракеты от Земли сила земного притяжения уменьшается пропорционально квадрату расстояния, так что потребность в тяге также снижается. Возникает задача найти такое соотношение между этими двумя факторами, при котором ракета сможет уйти в космическое пространство. Например, для изотопа с периодом полураспада 1,5 ч начальная тяга должна превышать начальный вес всего на 7,6%; тогда ракета преодолеет земное притяжение и достигнет в космосе скорости, равной почти 30 км/с.

Комментарий Дедала

Примерно через год после опубликования этой заметки Джеймс Шлезинджер, председатель Комиссии по атомной энергии США, вполне серьезно предложил избавляться от радиоактивных отходов, запуская их при помощи ракет на Солнце. Он ограничивался использованием обычных химических ракет, не подозревая, что отходы могут сами создавать реактивную тягу. Редактор журнала New Scientist, не зная, что эта идея родилась в его собственном издании, высоким стилем раскритиковал проект, назвав его «грудой радиоактивного мусора» (New Scientist, Febr. 10, 1972, p. 307). Но идея не пропала втуне. В 1977 г. Р. Николз писал об этом в редакцию журнала Nature (269, р. 556), а 10 января 1980 г. New Scientist опубликовал сообщение происходившей в Сан-Франциско конференции Американской ассоциации по научному прогрессу, на которой С. Розен высказался в пользу уничтожения ядерных отходов с помощью ракет. Пожалуй, настало время изобретать свинцовый зонтик!