Книга Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Понятно, что для этого метода рассеивания необходим газ, однако ни сам уран, ни его обычные соединения не являются газообразными. Филип-Хауге Эйблсон предложил использовать гексафторид урана (UF6), не являющийся газообразным веществом при нормальной температуре, однако превращающийся в летучую жидкость уже при 56 °С, а значит, его можно без особых сложностей превратить в газ.

Молекулярный вес гексафторида урана–238 составляет 352, а гексафторида урана–235–349. Разница молекулярных весов всего 0,85%, поэтому процесс рассеивания должен быть действительно длинным. Для этих целей в Оук-Ридж (шт. Теннесси) в начале 1940 года были построены большие сооружения (каскады рассеивания), где UF6 пропускали через огромное количество пористых преград, а части газа разделялись и объединялись автоматически. В итоге с одного конца образовывался обогащенный гексафторид, а с другого — обедненный.

Атомный котел

По мере продвижения работ по очищению и разделению изотопов стало понятно, что даже в идеальных условиях ядерная цепная реакция не возникнет в ограниченном объеме урана. Даже атомы урана–235 могут и не поглотить летящий нейтрон. Нейтрон может просто-напросто оттолкнуться от атома урана. Причем это может повторяться снова и снова и лишь сотый или даже тысячный атом урана–235 поглотит этот нейтрон.

Если в процессе отталкивания от атомов нейтрон вылетает из активной зоны, он потерян. Если вылетит достаточно большое количество нейтронов, ядерная цепная реакция прервется. Чтобы не допустить этого, нужно минимизировать шансы потерять электрон до поглощения его ядром урана с последующим делением этого ядра. Самым простым способом достичь этого является увеличение активной зоны урана, где происходит деление ядер урана. Чем больше размеры активной зоны, тем от большего количества атомов необходимо оттолкнуться нейтрону до вылета за ее пределы и тем выше шанс поглощения нейтрона.

Если активная зона достаточно большая, из нее вылетает лишь небольшое количество нейтронов, не прерывая ядерной цепной реакции, ее размер называется критическим. Меньшие, подкритические, размеры активной зоны недостаточны для возникновения самоподдерживающейся ядерной цепной реакции.

Критический размер не является абсолютной величиной. Он зависит от природы активной зоны, ее формы и т. д. Критический размер активной зоны обогащенного урана меньше, чем у активной зоны обычного урана, так как чем выше концентрация урана–235, тем меньшее количество раз нейтрон оттолкнется от атомов урана до поглощения и тем меньше шанс вылета нейтрона за пределы активной зоны (любого размера).

Опять-таки критический размер можно уменьшить, если использовать вместо нейтронов высокой энергии нейтроны низкой энергии, так как ядерное сечение урана–235 для медленных нейтронов выше, и в этом случае количество отталкиваний будет ниже. Для замедления нейтронов необходимо использовать замедлитель (см. гл. 10), и для этих целей подойдет графит высокой очистки. Графитовый модератор также может служить отражателем нейтронов. Если вокруг активной зоны урана поместить замедлитель, то вылетающие из нее нейтроны будут отражаться от графита и возвращаться обратно. В этом случае критический размер будет еще меньше.

Для управления ядерной цепной реакцией и предотвращения взрыва урановой активной зоны необходимо устройство, противоположное замедлителю по функциям. От атомов замедлителя нейтроны отталкиваются, а нам нужны атомы, которые бы улавливали нейтроны, не отталкивая и не испуская их. У некоторых изотопов кадмия ядерное сечение для нейтронов очень высоко, и из них можно изготовить «регулирующие стержни» для контроля за реакцией.

В конце 1942 года была предпринята первая попытка вызвать первую самоподдерживающуюся ядерную цепную реакцию. Это произошло под трибунами футбольного стадиона Чикагского университета, а руководил всем Ферми (в 1938 году эмигрировавший из Италии в Штаты, но не получивший еще гражданства, почему его и можно считать «врагом»).

К тому времени было налажено производство чистого урана как в форме металла, так и в форме оксида. Такой уран не был обогащенным, поэтому его критические размеры были крайне высокими и для возникновения цепной реакции был необходим очень большой «атомный котел». Название «котел» появилось из чисто визуального сходства: штабель кирпичей из урана, оксида урана и графита очень напоминал котел. Кроме того, термин «котел» был достаточно нейтральным и непонятным для непосвященных. После войны термин «атомный котел» еще какое-то время использовался, после чего был замен на гораздо более подобающий «ядерный реактор».

Размеры первого ядерного реактора составляли 9,1 м в ширину, 9,7 м в длину и 6,5 м в высоту, вес — 1400 т, 52 т которого составлял уран. Слои урана, оксида урана и графита сменяли друг друга, оставляя шел и, куда можно было поместить длинные стержни из кадмия.

Ядерный реактор в Оук-Ридж

Предположим, что во время такой реакции за определенный период делится определенное количество ядер атомов урана (n), высвобождая при этом x нейтронов. Y из этих∙нейтронов либо поглощаются атомами урана, не вызывая деления ядра, либо улавливаются другими веществами, либо вылетают из реактора. Значит, по атомам урана–235 попадает x–y электронов, вызывая деление их ядер. Соотношение (x–y)/n называется коэффициент размножения нейтронов.

Если коэффициент размножения нейтронов меньше 1, тогда во время каждой последующей реакции делится меньше ядер и высвобождается меньше нейтронов. В этом случае цепная реакция быстро прерывается.

Если же коэффициент размножения нейтронов выше 1, тогда во время каждой последующей реакции делится большее количество ядер и высвобождается больше нейтронов. За долю секунды интенсивность цепной реакции становится очень высокой, что приводит к мощнейшему взрыву.

У построенного в Чикагском университете реактора коэффициент размножения нейтронов при задвинутых регулирующих стержнях был намного ниже 1. По мере выдвижения стержней внутри реактора оставалось меньше улавливающего нейтроны кадмия, соответственно больше ядер атомов урана делилось. Коэффициент размножения нейтронов рос.

Можно предположить, что по мере выдвижения регулирующих стержней и роста коэффициента размножения ничего не происходит до тех пор, пока коэффициент не становится чуть выше 1, и тогда котел взрывается вместе с половиной города Чикаго.

К. счастью, этого можно избежать. Практически все (но не все) нейтроны, образующиеся в ходе ядерной цепной реакции, испускаются ядром урана сразу после деления. Это мгновенные нейтроны. Около 0,75% образующихся нейтронов испускаются продуктами деления через несколько минут после деления ядра. Это запаздывающие нейтроны.

Если коэффициент размножения нейтронов выше 1,0075, то количества мгновенных нейтронов вполне достаточно для увеличения интенсивности реакции, что неминуемо приводит к взрыву. Если же значение коэффициента колеблется в пределах от 1,0000 до 1,0075, то для увеличения интенсивности реакции мгновенным нейтронам необходима «помощь» со стороны запаздывающих. Это значит, что в течение очень короткого периода времени интенсивность деления ядер растет медленно. В это время необходимо задвинуть кадмиевые регулирующие стержни для уменьшения интенсивности деления. Автоматические системы управления кадмиевыми стержнями позволяют поддерживать коэффициент размножения в пределах 1,0000–1,0075, не приводя к угасанию реакции или взрыву. Если в автоматической системе управления случается сбой, то кадмиевые стержни сами задвигаются внутрь реактора, прерывая цепную реакцию. Система получается безаварийной, и 25-летний опыт подтверждает безопасность ядерных реакторов при условии, что они грамотно спроектированы.