Измерение неизмеримого - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Первые же исследования реакции деления показали, что она отличается от других ядерных реакций не только своим механизмом. Прежде всего, как показали специальные опыты, из трех известных в то время изотопов урана 234U, 235Uh 238U под действием не очень быстрых нейтронов делится только один - 235U Далее оказалось, что при делении одного ядра 235U выделяется гораздо больше энергии, чем в других ядерных процессах, - примерно 200 МэВ. В основном она выделяется в виде кинетической энергии разлетающихся осколков и их последующего распада. Советские физики Г. Н. Флеров и К. А. Петржак в 1940 году обнаружили, что ядра урана делятся не только под действием нейтронов, но и самопроизвольно (спонтанно), но процесс этот протекает очень медленно, гораздо медленнее, чем обычный а-распад урана. Жолио-Кюри установил, что кроме осколков при делении урана образуется несколько нейтронов.
После открытия Жолио-Кюри физикам стало ясно, что в принципе можно получить самоподдерживающуюся цепную реакцию деления. В самом деле, в результате затраты на деление одного ядра урана одного-единственного нейтрона возникает несколько новых нейтронов; эти нейтроны смогут разделить уже не одно, а несколько соседних ядер урана, причем в каждом случае деле-
126
ния появится опять несколько нейтронов и т. д. Таким образом, процесс деления будет лавинообразно развиваться, пока не разделятся все ядра урана. Одновременно выделилось бы громадное количество энергии при относительно ничтожных первоначальных затратах. Точнее говоря, и на получение первого нейтрона не пришлось бы затрачивать энергию, так как при спонтанном делении тоже возникают вторичные нейтроны. Таким образом, в любом куске урана постоянно появляются нейтроны и остается только создать условия, при которых могла бы начаться и развиваться цепная реакция деления.
Выяснить, какими должны быть эти условия, удалось одному из величайших физиков XX века Ферми. Выше отмечалось, что под действием нейтронов делится только один изотоп урана 235U, второй изотоп 238U лишь захватывает нейтроны, выводя их из игры. Поэтому 238U, содержащийся в естественном уране в количестве 99,28%, является "вредной примесью" к полезному изотопу 235U, на долю которого приходится только 0,72%
(содержание третьего изотопа 234U настолько мало, что его обычно не учитывают). В чистом природном уране почти все нейтроны попадают в ядра 238U, случаи деления происходят очень редко, и поэтому цепная реакция в таких условиях невозможна.
Однако, как выяснил Ферми, если нейтроны замедлить, то их способность вызывать деление ядер 235U резко возрастет, тогда как вероятность захвата медленных нейтронов ядрами 238U остается относительно небольшой. Поэтому если поместить небольшие блоки урана в вещество, способное эффективно замедлять нейтроны (обычно в качестве такого вещества используется графит), то цепная реакция может начаться и в естественном уране.
Но создание систем из смеси делящегося вещества и замедлителя — это только один из возможных путей осуществления цепной реакции деления. Другой путь основан на создании систем из чистого делящегося изотопа урана, в котором содержание ненужного изотопа 238U было бы сведено к минимуму. Главная трудность этого направления связана с разделением изотопов урана: химические методы тут не годятся, а физические методы, основанные на небольшой разнице масс ядер 235U и 238U, весьма малопроизводительны и требуют больших затрат средств, времени и энергии. И все же разделение изотопов урана производят, но параллельно идут еще одним, третьим путем.
127
При захвате нейтрона ядром 238U образуется тот самый 93 и элемент, который когда-то искали Ган и Штрассман. Процесс образования этого элемента, названного нептунием, идет, как и предполагалось, следующим образом:
238U + /! 239U + ?; 239U 239Np + j3~.
Затем нептуний, испуская еще один электрон, превращается в следующий, 94-й, элемент - плутоний:
239Np 239Ри + 0-.
И вот оказалось, что Pu является столь же хорошим ядерным топливом, как и 235U. А выделить его из массы облученного нейтронами урана не так уж трудно: ведь это другой химический элемент, и, стало быть, можно воспользоваться для этого обычными методами химического разделения. Как видно, вредный с точки зрения развития цепной реакции деления изотоп 2 3 8 U не так-то уж плох!
В декабре 1942 года Ферми, работавший в то время в США, впервые в мире осуществил самоподдерживающуюся цепную реакцию деления с помощью систем первого типа (обычный уран в графите). Такие системы стали называть ядерными реакторами. В дальнейшем по мере накопления выделяемого из естественного урана изотопа 235Uh получаемого в реакторах нового изотопа 239Pu стали строить ядерные реакторы нового типа — на чистом или сильно обогащенном ядерном топливе.
УСТРОЙСТВО И РАБОТА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
Основной частью ядерного реактора является активная зона 1 (рис. 34), в которой находится делящийся материал. Образующиеся при работе реактора нейтроны частично захватываются находящимися в активной зоне материалами, а частично выходят в окружающее пространство. Обычно активную зону окружают слоем материала 2, способного хорошо рассеивать нейтроны. Этот слой, называемый отражателем или экраном, отбрасывает часть уходящих нейтронов обратно в активную зону и тем самым способствует протеканию цепной реакции. За экраном располагается защита 3 от опасного излучения реактора, выполненная в виде тол-
