Страница 71 из 83
Очевидно, все эти факторы необходимо учитывать, чтобы цепная реакция деления протекала успешно.
Казалось бы, проще всего отделить уран-235 от урана-238. Тогда в большой массе вещества нейтроны уже не смогут вылететь за пределы уранового блока, не совершив по пути ни одного деления. Не нужно беспокоиться и о замедлителе нейтронов: сами ядра урана справлялись бы с этой задачей.
Но уран-235 выделить в совершенно чистом виде крайне трудно. Ведь для разделения изотопов нельзя воспользоваться химическими методами и приходится опираться лишь на очень незначительную разницу в их физических свойствах. Кроме этого, поскольку количество нейтронов при делении возрастает лавинообразно, нет никакой возможности управлять такой реакцией. Наш кусок урана моментально бы взорвался, как только бы мы превысили его критическую[7] массу.
Именно на таком принципе основана атомная бомба. Берут два куска урана (обогащенного изотопом 23592U) с массами меньше критической, но с суммарной массой, превосходящей критическую, и помещают на некотором расстоянии друг от друга. В определенный момент времени при помощи специального механизма оба куска урана сдвигаются, происходит быстрое увеличение числа нейтронов (а следовательно, актов деления) и взрыв.
Тут мы должны немного отвлечься от нашей основной цели и рассказать об одном важном свойстве, которым обладают ядра атомов химических элементов. В настоящее время известно, что ядро любого атома имеет диаметр 10–13–10–12 квадратных сантиметра. Поэтому площадь поперечного сечения ядра можно для всех ядер принять равной приблизительно 10–24 сантиметра. Эта единица в ядерной физике получила специальное название «барн». Сам нейтрон имеет примерно такую же площадь поперечного сечения.
И вот при изучении взаимодействия нейтронов с различными ядрами ученые подметили интересную особенность. Оказалось, что ядра различных элементов при взаимодействии с нейтронами ведут себя неодинаково: одни как бы уменьшаются в размере при приближении к ним нейтрона, а другие становятся «толще».
Попробуем объяснить это явление нагляднее. Пусть мы стреляем в пятикопеечные монеты, лежащие плашмя на столе на некотором расстоянии друг от друга, шариками, имеющими диаметр, одинаковый с пятикопеечными монетами. Здесь возможны только два варианта: некоторые шарики попадут в монеты, а некоторые — в промежутки между ними.
Не то происходит при взаимодействии ядер с нейтронами. Допустим, что расположенные плашмя на столе пятикопеечные монеты вдруг стали на ребро — ведь тогда значительно больше шариков попадет на пустое место, чем в них. Можно представить, что наши пятикопеечные монеты при приближении к ним шариков вдруг стали расти и выросли до размеров блюдца или тарелки. Тогда почти все шарики попадут в них и лишь немногие — на непокрытую монетками часть стола.
Именно так и ведут себя ядра некоторых элементов при взаимодействии с нейтронами. Например, сечение реакции при взаимодействии нейтронов с кислородом составляет всего лишь 0,00 022 барна, то есть создается впечатление, будто ядро кислорода «похудело» в пять тысяч раз (при условии, конечно, что любое столкновение нейтрона с ядром приводит к взаимодействию). С другой стороны, сечение аналогичной реакции в случае гадолиния составляет 30 тысяч барнов; ядро как бы «расширилось» в 30 тысяч раз. Для природной смеси изотопов кадмия сечение реакции составляет 2900 барнов. Такое поведение некоторых веществ может быть использовано для поглощения нейтронов, о чем мы еще будем говорить дальше.
Вот теперь мы уже знаем достаточно, чтобы представить себе, как работает «фабрика» изотопов. Сама «фабрика» носит название ядерного реактора. В центре его расположены урановые стержни, заключенные в металлические оболочки, чаще всего изготовленные из алюминия. Уран, находящийся в стержнях, обогащен изотопом урана-235. Стержни отделены друг от друга слоями графита, который служит замедлителем нейтронов. В нем сделаны отверстия и для кадмиевых стержней, которые необходимы для регулирования ядерной реакции. Графит обычно окружают слоями отражателя — вещества, хорошо отражающего вылетающие нейтроны. Все это окружается дополнительно толстым слоем бетона, сквозь который не может «пробраться» выделяющееся при ядерных реакциях излучение.
Как же работает эта «фабрика»? При закладке урановых стержней кадмиевые стержни введены в графит полностью. Поэтому практически все нейтроны поглощаются ими. Затем стержни медленно поднимают, и начинается реакция деления урана. Но как только появляется значительное количество нейтронов, кадмиевые стержни снова вводятся в графит. Такую регулировку проводят до тех пор, пока так называемый коэффициент размножения нейтронов не становится равным единице: на один израсходованный нейтрон образуется один новый, способный провести новое ядерное деление.
В результате ядерных реакций, протекающих в уране, образуются радиоактивные изотопы многих элементов, расположенных в середине периодической системы. В «осколках» деления можно обнаружить изотопы элементов с порядковыми номерами от 30 (цинк) до 63 (европий). Изотопы других элементов получаются при так называемых реакциях расщепления урана. «Снарядами» в этом случае служат протоны высоких энергий, разогнанные до больших скоростей на ускорителях.
Реактор с мощностью в 1000 киловатт ежесуточно дает около полутора граммов различных осколков деления.
Помимо радиоактивных изотопов, при работе ядерного реактора выделяется громадное количество тепла. В самом деле, известно, что кинетическая энергия разлетающихся осколков деления близка к 3,2·10–4 эрг. При делении грамма урана, 2,5·1021 ядер 23592U, выделяется энергия, равная 8·1017 эрг, или 22 тысячам киловатт-часов. Поэтому работающий реактор необходимо охлаждать, а воду можно использовать в паровых электрических турбинах. Таким образом, одновременно с производством радиоактивных изотопов ядерный реактор автоматически может служить атомной электростанцией. Конечно, это его главное назначение.
Чудесная «фабрика» не только дает нам радиоактивные изотопы, необходимые в различных областях науки и техники, не только предоставляет возможность получать электроэнергию, но и вдобавок ко всему… обеспечивает себя топливом!
При взаимодействии изотопа урана-238 с нейтронами образуется нестабильный изотоп урана с массовым числом 239. Этот изотоп путем последовательного испускания двух бета-частиц превращается в элемент № 94, плутоний, который обладает довольно большим периодом полураспада, равным 24 тысячам лет.
Плутоний по способности к процессам деления очень сходен с ураном и может быть использован в виде «горючего» вместо мало распространенного изотопа урана-235. Реактор мощностью в 1000 киловатт при делении одного грамма урана может дать ежесуточно около 2 граммов плутония, то есть с лихвой возместить потери урана-235. Такие реакторы, работающие по принципу воспроизводства ядерного горючего, получили название бриддеров, или размножителей.
Несомненно, у ядерных реакторов, выделяющих громадные количества тепла, позволяющих получать радиоактивные изотопы и воспроизводящих ядерное горючее, большая будущность в мирном использовании атомной энергии.
Век искусственных элементов
В 1937 году в циклотроне Калифорнийского университета родились первые атомы элемента, никогда и никем ранее не обнаруженного в природе. Это событие открыло век искусственных элементов. Но в те дни оно привлекло к себе внимание лишь узкого круга ученых.
Авторы открытия — итальянцы Перье, Сегре и Каккьянуоти — работали в небольшом университетском городке Беркли, в Соединенных Штатах. В циклотроне в течение нескольких месяцев облучалась ядрами тяжелого водорода небольшая молибденовая пластинка. С ней было выполнено несколько тщательных опытов. Ученые надеялись обнаружить какой-нибудь новый радиоактивный изотоп. Их надежды оправдались. Счетчик зафиксировал распад неизвестных изотопов. Со всей возможной быстротой они были переведены в раствор и подвергнуты пристальному изучению. Скоро выяснилось, что изотопы принадлежат новому, не встречающемуся в природе элементу.
7
Критическая масса — минимальное количество делящегося материала, в котором еще может идти цепная реакция.