Гибель человечества

Первые искусственные элементы

Для получения первых искусственных элементов, ученые использовали метод бомбардировки стабильных ядер легких элементов быстрыми альфа-частицами. Этот метод приводил к образованию новых элементов, которые не существуют в природе.

Таким образом, были созданы такие элементы, как неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr) и др. Эти искусственно созданные элементы имеют различные свойства и находят применение в различных отраслях промышленности.

Таблица с некоторыми первыми искусственными элементами

Таким образом, благодаря созданию искусственных элементов, человечество получило новые возможности для развития технологий и науки.

История открытия атомной бомбы

Однако вернемся к событиям, предшествовавшим появлению атомной бомбы. Мысль о том, что в результате облучения урана нейтронами из миллионов столкновений все же мог бы появиться хотя бы один-единственный атом сверхтяжелого элемента, не оставляла многих ученых.

И действительно, в 1940 году в подвергнутом бомбардировке нейтронами уране удалось обнаружить наряду с осколками от деления урана-235 вещество, имеющее порядковый номер 93 и атомный вес 239. Тщательное изучение ничтожно малого количества этого действительно нового, трансуранового элемента методами так называемой микрохимии позволило произвести переоценку роли урана-238.

Поглотив нейтрон, обладающий резонансной скоростью, ядро урана-238 не делится, а превращается в сильно возбужденный искусственный изотоп урана — уран-239 (92U239). Этот изотоп крайне неустойчив, и половина его, выбрасывая электрон, распадается через 23 мин и образует новый радиоактивный элемент, имеющий порядковый номер 93 и вес 239.

Образование Нептуния и Плутония

По истечении двух-трех суток, в свою очередь, распадается, выбрасывая электрон, половина получившегося нептуния, вместо которого появляется еще один новый, но уже более устойчивый радиоактивный элемент с порядковым номером 94 и атомным весом 239, названный плутонием. Период полураспада его 24 тысячи лет, после чего, выбрасывая альфа-частицу, он превращается в уран-235.

Процесс превращения

Процесс превращения урана-238, захватывающего нейтрон, в плутоний, а затем, спустя 24 тысячи лет, — в уран-235. (Т — период полураспада.) Но наиболее важным в плутонии оказалось то, что под действием как медленных, так и быстрых нейтронов он делится на две части, как и уран-235. В распоряжении ученых теперь оказалось не одно, а сразу два делящихся вещества: уран-235 и плутоний.

К счастью, современная наука и технологии позволяют нам создавать источники нейтронов, способные облучать материалы и превращать их в нужные нам элементы. Одним из таких источников являются атомные реакторы, или, как их еще называют, атомные спички.

Преимущества атомных реакторов:

1. Эффективность. Атомные реакторы способны производить большие количества энергии, используя минимальное количество материалов.

2. Экологичность. В отличие от традиционных источников энергии, атомные реакторы не выбрасывают в атмосферу вредных веществ.

3. Устойчивость. Атомные реакторы работают стабильно и надежно, обеспечивая постоянный источник энергии.

Использование атомных спичек для производства делящихся изотопов:

1. Уран-233. Путем облучения тория-232 можно получить уран-233, который отлично подходит для использования в ядерных установках.

2. Плутоний-239. Облучая уран-238 нейтронами, можно превратить его в плутоний-239, который также можно использовать в ядерных реакторах.

Заключение

Современные технологии позволяют производить делящиеся изотопы эффективно и безопасно. Атомные реакторы играют важную роль в процессе производства ядерного топлива, обеспечивая стабильное и надежное энергоснабжение.

Чтобы приготовить заячье рагу, нужно по крайней мере иметь кошку, — гласит французская поговорка.

Введение в ядерные реакции

Чтобы зажечь ядерный пожар — саморазвивающуюся цепную реакцию деления ядер атомов урана, нужно откуда-то взять первый, запальный нейтрон.

Время от времени в атмосферу Земли влетают из космоса заряженные частицы, обладающие потрясающе огромной энергией — порядка сотен и тысяч миллиардов электронвольт и даже больше.

Сталкиваясь с молекулами и атомами воздуха, эти частицы изредка выбивают из них одиночные нейтроны, которые могут попасть в ядра атомов урана-235 и вызвать их деление. Однако такая возможность носит столь случайный характер, что рассчитывать на нее нельзя.

Поиск источника нейтрона

В опытах, которые привели к открытию деления ядер урана, использовались искусственные источники нейтронов, такие как полоний-бериллиевый или радий-бериллиевый.

Самопроизвольное деление

Не исключено, что ядро атома урана может самопроизвольно распадаться на два осколка, каждый из которых освобождается от лишних нейтронов.

Эксперименты и результаты

Советские ученые Г. И. Флеров и К. А. Петржак провели исследования, которые показали, что уран может самопроизвольно делиться без внешних источников нейтронов.

Выводы

Для возбуждения цепной реакции деления урана не всегда требуются внешние источники нейтронов, так как самопроизвольно делящиеся ядра урана могут служить спичками для реакции.

Чтение данной статьи позволяет лучше понять процессы и механизмы ядерных реакций, а также значимость самопроизвольного деления атомов.

Итак, при делении ядра атома урана-235 на два осколка— ядра атомов, приходящихся на середину периодической системы Д. И. Менделеева, высвобождаются еще и два-три (в среднем 2,7) нейтрона, оказавшихся теперь лишними. Но ведь каждый из них может вызвать деление подвернувшихся им на пути ядер урана-235. Эти, допустим, три нейтрона, в свою очередь, разделят уже 27 ядер урана. 27 ядер, разделившись, выбросят 81 нейтрон, которые разделят 243 ядра урана, и т. д. Количество делящихся ядер будет удваиваться или утраиваться при каждом новом поколении делений, в короткий срок достигая астрономического числа. Но это лишь в идеальном, теоретически возможном случае. Практически же в уране любой степени технической чистоты всегда присутствуют посторонние примеси, поглощающие некоторую часть высвобождающихся при делении нейтронов. В этом смысле вредными примесями приходится считать и атомы основного тяжелого изотопа природного урана — уран-238. Их ядра, как мы знаем, слишком жадно поглощают нейтроны. Поэтому в сплошном слитке природного урана любого объема, состоящего на 99,3% из этого изотопа, цепную реакцию деления «просто так» возбудить нельзя. Ну, а каким путем можно? Здесь вступает в свои права математика, вернее, бухгалтерия. Если каким-то способом нам удалось «поджечь дрова» — возбудить в слитке урана реакцию деления и довести ее до какого-то определенного уровня (числа делящихся ядер в секунду), то она будет продолжаться на том же самом уровне, если из двух-трех высвобождающихся в процессе каждого такого деления нейтронов хотя бы один разделит ядро атома урана-235. Не нужно и доказывать, что условная величина — коэффициент размножения нейтронов (К), — то есть среднее значение отношения числа вторичных нейтронов, производящих деление новых ядер атомов урана или плутония, к числу первичных нейтронов, — в этом случае будет строго равен единице. Но при любом, пусть даже самом медленном нарастании числа делений — допустим, когда количество нейтронов, делящих ядра атомов, в каждом последующем поколении превышает хотя бы на миллионную долю число нейтронов, полученных от разделившихся ядер атомов предыдущего поколения, — коэффициент размножения будет уже превышать единицу. При К меньше единицы цепная реакция невозможна, а если бы и началась, то неминуемо затухла бы. Но этим условия возбуждения ядерной реакции в уране не кончаются. Как же все-таки осуществить управляемую цепную реакцию, если такая реакция в естественном уране возникнуть не может? Подавляющее большинство нейтронов, выброшенных при самопроизвольном или искусственном делении урана-235, будет поглощено ураном-238 задолго до того, как они могли бы встретить на своем пути и разделить ядра урана-235. Нужно сделать так, чтобы как можно больше нейтронов (энергия которых лежит выше 7 эв) успело покинуть кусок природного урана до их встречи с ядрами атомов урана-238, замедлиться в какой-то иной среде до тепловой энергии, то есть миновать как можно быстрее зону резонансных энергий от 1 до 7 эв, особо благоприятную для поглощения их ядрами урана-238, а затем снова вернуться в слиток урана. Тогда нейтронам ничего не остается другого, как делить только немногочисленные ядра урана-235. При достаточно большом количестве естественного урана в нем должна возникнуть цепная реакция.

Контролируемая цепная реакция в уране-235 возможна при условии замедления нейтронов до тепловых скоростей (0,03 эв) при помощи замедлителя. Отсюда вытекала очередная задача — найти такое вещество, которое позволяло бы в наикратчайший срок замедлить быстрые нейтроны до тепловых скоростей порядка 0,03 эв и при этом само не поглощало нейтронов. Итак, чтобы добиться первой стадии успеха, в естественный уран нужно было ввести какой-то замедлитель нейтронов. Что же в таком случае представляет собой процесс замедления нейтронов?

АТОМЫ И ИГРА НА БИЛЬЯРДЕ

Мы уже говорили, что нейтроны могут сталкиваться с ядрами различных элементов, передавая им часть своей энергии. При этом их собственная скорость, а следовательно, и энергия, естественно, уменьшаются. Нейтроны могут быть успешно замедлены только в том случае, если их столкновения с ядрами вещества замедлителя носят упругий характер, то есть, когда сталкивающиеся частицы отскакивают одна от другой. Иными словами, в качестве замедлителя должны применяться вещества, атомы которых практически не захватывают нейтронов.

Механизм замедления нейтронов путем упругих столкновений с ядрами атомов легких элементов: а — водорода; б — углерода. Из законов механики следует, что если замедлять скорость движущегося тела путем упругих столкновений его с другим неподвижным или медленно движущимся телом, то наибольшее количество энергии теряется в том случае, когда массы обоих сталкивающихся тел одинаковы. Выходит, что для замедления нейтронов нужно применять ядра легких атомов — например, водорода, масса которого почти равна массе нейтрона.

Чтобы замедлить до тепловой энергии нейтрон, вылетевший при делении ядра урана, потребуется всего лишь 18 упругих столкновений его с ядрами водорода. После этого энергия движения нейтрона делается примерно равной энергии движения атомов замедлителя, которая, как мы знаем, определяется его температурой. Никакой замедлитель, однако, не может уменьшить энергии нейтронов ниже энергии движения своих молекул. А энергии молекул газа при комнатной температуре (20°С) распределены около значения 0,025—0,030 эв. Если же нейтрон замедлять ядрами атомов углерода, которые в 12 раз тяжелее нейтрона, то при тех же 18 столкновениях нейтрон потеряет всего лишь 14% своей первоначальной энергии. И чтобы замедлить его до тепловой энергии, потребуется уже 114 столкновений с ядрами углерода, то есть в шесть раз больше, чем при использовании ядер водорода. Казалось бы, лучшим замедлителем и должен быть обычный водород, но, к сожалению, ядра его атомов легко захватывают нейтроны, превращаясь при этом в ядра дейтерия. А вот ядра дейтерия (дейтроны) нейтронов уже не захватывают, и понадобится всего 25 столкновений, чтобы замедлить их до тепловых скоростей. Хорошим замедлителем был бы гелий: он и легок, и, как выяснилось, сравнительно мало поглощает нейтронов. Но это газ, и ему, так же, как и водороду, невозможно придать требуемую плотность, даже если сжимать до сверхвысоких давлений. После длительных поисков оказалось наиболее выгодным и целесообразным в качестве замедлителя нейтронов применять водород, но только входящий в состав молекул обычной воды, и тяжелый водород — дейтерий (1Η2), который входит в состав так называемой тяжелой воды, а из твердых тел с наименьшим атомным весом — углерод (графит).

Что же это за тяжелый водород и тяжелая вода? Еще в 1920 году Резерфорд и Харкинс одновременно предсказали возможность существования изотопа водорода, масса которого была бы вдвое больше обычного. В 1931 году была предпринята попытка получить этот изотоп. Для этого стали испарять очень большое количество жидкого водорода, рассчитывая на то, что обычный водород испарится скорее, чем его более тяжелый изотоп. Так и получилось. Обнаруженный изотоп — тяжелый водород — был назван дейтериумом или дейтерием, а его ядро — дейтроном. Однако такой способ получения дейтерия оказался очень сложным и дорогим. Поэтому ученые вместо выпаривания жидкого водорода обратились к обыкновенной воде. Раз в природе могут существовать атомы тяжелого водорода, а вода—соединение кислорода и водорода, то тяжелый водород обязательно должен входить в состав молекул так называемой тяжелой воды и его можно выделять из обыкновенной воды, разлагая ее электрическим током. Такая тяжелая вода действительно была обнаружена в виде ничтожной примеси к обыкновенной воде (0,015%). В отличие от обыкновенной воды (Н2О), молекула тяжелой воды (D2O) содержит тяжелый изотоп водорода — дейтерий (1Η2). Ядро этого изотопа водорода состоит из протона и нейтрона. Из таблицы видно, что свойства обыкновенной и тяжелой воды различны. Свойства обыкновенной и тяжелой воды

Свойства тяжелой воды. Производство тяжелой воды оказалось делом весьма долгим, сложным и трудным. Для того чтобы получить 1 кг тяжелой воды, надо разложить не менее 6 т обыкновенной воды, затрачивая на это огромное количество электроэнергии. Поэтому очень часто вместо тяжелой воды в качестве замедлителя используют графит предельно возможной химической чистоты.

КРИТИЧЕСКАЯ МАССА

Хорошо известно, что никакими силами поджечь и заставить гореть дальше маленький кусочек угля невозможно. В то же время большая куча угля горит преотличнейшим образом. Причина этого, казалось бы, непонятного противоречия заключается в том, что химическая реакция горения топлива, идущая при температуре 500—600° может поддерживать сама себя только в том случае, если выделяющееся при этом тепло в состоянии непрерывно нагревать до такой же температуры и соседние слои топлива. А это возможно лишь тогда, когда приток тепла к зоне горения превышает его потери через поверхность еще холодного топлива. И чем меньше кусочек угля, тем относительно больше его поверхность (по отношению к массе), через которую может улетучиваться это тепло. Так, например, у шара диаметром 20 см отношение поверхности к объему составляет всего 0,3, в то время как у шарика диаметром 2 см это же соотношение будет равно 3, то есть в 10 раз больше. Естественно, что при горении малый шарик будет терять в 10 раз больше тепла, чем крупный. Потери эти могут быть столь велики, что самоподдерживающейся реакции горения не получится. Нужен какой-то определенный минимальный физический объем топлива, который назовем критическим. Для того чтобы началась саморазвивающаяся цепная реакция деления ядер атомов урана-235 или плутония-239, нужно, чтобы после того, как какое-то одно самопроизвольно разделившееся ядро атома выбросит два или три нейтрона, эти нейтроны обязательно попали в соседние ядра атомов делящегося вещества и разделили в среднем хотя бы чуть- чуть больше одного ядра, а те выбросили тоже чуть-чуть больше одного нейтрона, и т. д., умножаясь на какую-то величину (коэффициент размножения К) с каждым новым поколением. Но нейтроны могут и не попадать в ядра соседних атомов. Объем I г урана равен 0,053 см3 и содержит 2,56 · 1021 атомов. А если сложить ядра этих атомов вместе, то они займут только 4,1 · 10-13 см3, или одну десятитриллионную долю объема этой горошинки урана, или примерно столько же пространства, сколько шарик объемом 1 мм3 по сравнению с Солнцем. Сплошная пустота! В этих условиях нейтроны будут безнадежно «промазывать» мимо цели и вылетать из кусочка урана наружу. Никакой цепной реакции деления ядер урана не получится. Но если взять слиток урана весом в несколько десятков килограммов, тс есть сферу диаметром 25—30 см, то вероятность вылета нейтронов, не задевших по пути ядер атомов урана, будет сводиться к минимуму. Следовательно, для осуществления цепного процесса в уране необходимо, чтобы слиток его был не меньше определенного объема или чтобы его масса была не меньше определенной, критической массы. Но все сказанное относится к слитку, состоящему только из одного делящегося вещества — урана-235 или плутония-239. А в природном уране делящегося изотопа — урана-235 — содержится всего 0,7%. Следовательно, чтобы выбрасываемые при делении ядер урана-235 нейтроны тут же не поглощались ядрами урана-238, составляющего остальные 99,3% массы природного урана, его нужно разделить на какие-то малые порции, например, в виде небольших патронов, стержней или пластин, и отделить одну от другой сплошной массой замедлителя нейтронов. Это необходимо для того, чтобы вылетающие из таких небольших порций урана нейтроны (от разделившихся ядер урана-235) с энергией 1—2 Мэв попали в соседнюю порцию уже замедленными до тепловых скоростей — 0,03 эв и, избежав тем самым опасности поглощения ядрами урана-238, могли наткнуться там на ядра атомов урана-235 и разделить их при самых благоприятных для этого условиях.

Цепная реакция в уране может возникнуть лишь при определенных размерах слитка. При малом объеме слитка (а) большинство нейтронов вылетает за его пределы. При большом объеме слитка (б) большинство нейтронов успевает делить ядра атомов урана. При использовании отражателя нейтронов количество урана (в) для начала в нем цепной реакции может быть значительно меньшим. Такое рассредоточение урана на малые порции вперемежку с веществом замедлителя увеличивает общую критическую массу урана, в которой может быть возбуждена и поддерживаться цепная реакция деления. Вместо нескольких килограммов для чистого урана-235 или плутония-239 она для природного урана будет равняться уже нескольким десяткам тонн! Соответствующим образом увеличится и ее объем.

КОГДА ОПОЗДАТЬ ЕЩЕ ДАЛЕКО НЕ ПОРОК

Исходя из указанных выше фактов и соображений. Э. Ферми с сотрудниками приступил к конструированию установки, в которой происходило бы контролируемое высвобождение внутриядерной энергии. О других целях этого мы расскажем немного позднее. Эта установка представляла собой громоздкое сооружение, в котором были совмещены блоки природного урана и замедлителя, а называлась она ядерным реактором. Но, кроме замедлителя, в ней необходимо было еще одно приспособление, предназначенное, как это ни странно, для поглощения нейтронов. «Как же это так? — спросит читатель. — Ведь нужно было специально подбирать замедлитель, чтобы он ни в коем случае не содержал веществ, сколько-нибудь заметным образом поглощающих нейтроны. С этой же целью требовалось тщательно очищать уран. Зачем же здесь нужны поглощающие вещества?» Дело в том, что рассчитать точно величину коэффициента размножения нейтронов очень трудно. Кроме того, число нейтронов в реакторе по ряду причин может самопроизвольно увеличиваться или уменьшаться. И, наконец, для того чтобы реактор начал работать, его надо запустить. Все это связано между собой цепью очень сложных и тонких взаимодействий, объяснить которые на данной стадии изложения просто невозможно. Поэтому скажем о самом главном. Для того чтобы в ядерном реакторе вообще могла возникнуть цепная реакция, нужно, чтобы в нем находилось такое количество урана и графита, при котором коэффициент размножения нейтронов хотя бы на ничтожно малую величину превышал единицу, то есть каждое деление ядра урана-235 сопровождалось бы появлением в среднем чуть-чуть больше одного нейтрона. В килограмме урана-235 имеется примерно 2,57 · 1024 атомов. И даже если цепной процесс в слитке был начат всего одним нейтроном, то все это буквально астрономическое количество атомов разделится приблизительно за миллионную долю секунды! И если цепную реакцию деления искусственно не замедлять (то есть не управлять ею), она окончится мгновенным взрывом. Даже при всех удивительных достижениях современной электроники немыслимо создать контрольные устройства, способные столь быстро отзываться на изменение уровня мощности реактора. Однако были некоторые соображения и такого порядка, что работу реактора все же можно весьма надежно и сравнительно легко контролировать, если учесть наличие так называемых запаздывающих нейтронов. Что это за нейтроны, почему, куда и как они запаздывают? Для этого нам придется снова вернуться к процессу деления ядер урана-235 или плутония. Дело в том, что два-три нейтрона, выбрасываемые в среднем при каждом таком делении, появляются не все сразу, а в разное время. Сначала вылетают мгновенные нейтроны, составляющие примерно 99% от общего числа всех нейтронов. Для этого требуется не больше 10-12сек с момента захвата нейтрона ядром атома урана. И если бы существовали только они одни, то возможно, что еще очень долгое время о каком-либо контроле цепной реакции в делящихся веществах вообще не было бы даже и речи. Однако, к счастью, остальные нейтроны испускаются осколками деления и запаздывают с вылетом примерно от 0,0001 сек до нескольких минут по сравнению с мгновенными нейтронами. Поэтому, если даже мгновенно остановить реактор, введя в него вещества, особо жадно поглощающие нейтроны, то в нем еще можно обнаружить испускание нейтронов, выбрасываемых продуктами деления. Именно эти запаздывающие нейтроны и подали мысль о возможности контролировать ход цепной реакции, так как только за их счет коэффициент размножения можно очень точно сделать равным единице. Поясним это условным примером. Допустим, среднее время жизни запаздывающих нейтронов равно примерно 10 сек. Тогда среднее эффективное время жизни всей совокупности нейтронов в делящемся уране должно резко увеличиться и стать равным приблизительно 0,1 — 1,0 сек. При таком времени жизни нейтронов появляются уже реальные возможности надежно контролировать реактор не только при помощи любых автоматических устройств, но и вручную. Мы уже говорили, что некоторые вещества жадно захватывают нейтроны. Таковы, например, бор и кадмий. Если некоторое количество длинных плоских стержней, покрытых с обеих сторон такими поглощающими нейтроны веществами, заранее ввести в ядерный реактор при его сборке, то, даже если количество урана в нем будет заведомо превышать критическую массу, цепная реакция не возникнет, так как коэффициент размножения нейтронов все равно будет меньше единицы. Они почти все будут «съедаться» ядрами атомов кадмия или бора. И чтобы пустить реактор в работу, нужно начать постепенно выводить из него один за другим поглощающие стержни. В какой-то момент коэффициент размножения нейтронов станет равным единице, а затем чуть- чуть превысит ее, допустим на 0,001 долю. Однако никакого мгновенного взрыва не наступит, так как увеличение коэффициента размножения нейтронов будет осуществляться не за счет основных, быстрых нейтронов (для которых К будет все еще меньше единицы), а главным образом за счет запаздывающих нейтронов. Вследствие этого увеличение мощности реактора примерно в 10 тысяч раз произойдет не в течение миллионных долей секунды, а в пределах 0,1—1,0 сек или дольше. Таким путем, выдвигая контрольные стержни на ту или иную величину, можно довольно точно установить любой требуемый уровень мощности реактора — от нуля до его предельной проектной мощности, причем на каждой такой ступени коэффициент размножения нейтронов (быстрых плюс запаздывающих) можно всегда сделать точно равным единице. И автоматическим устройствам, управляющим движением контрольных стержней, не составит труда выдерживать его с абсолютной точностью. Как только мощность реактора превысит заданную, автоматическое устройство чуть-чуть опустит стержни внутрь. Сразу же начнет поглощаться большее число нейтронов, и коэффициент размножения снова упадет до единицы. Теперь осталось разобрать еще один очень важный вопрос, который особенно интересовал первых конструкторов атомных реакторов. Куда деваются нейтроны, которые поставляют делящиеся ядра урана-235? Часть из них уходит наружу, часть делит следующие ядра, а часть захватывается ураном-238 и примесями. Это мы уже знаем. Но если захват нейтронов ядрами примесей вреден и мы стремимся свести его к нулю, то можно ли это сказать о захвате ядрами урана-238? Конечно, нет. Ведь эти ядра под действием нейтронов образуют плутоний — новое, искусственное делящееся вещество. Немного раньше мы даже задавали вопрос о том, какой же источник нейтронов надо иметь, чтобы получить плутоний в достаточно больших количествах. Теперь этот источник найден. Атомный реактор одновременно является и источником энергии, и своего рода фабрикой для получения плутония. Конструкторов первого ядерного реактора больше интересовала именно эта сторона вопроса, так как они искали способы получения сырья для атомных бомб. В атомном реакторе они нашли источник необходимых для этого нейтронов. Вот, пожалуй, и все, что нужно предварительно знать, чтобы зажечь первый в мире «атомный костер» Его мощность была заранее ограничена небольшой величиной, но ученые имели дело с неизвестной и грозной силой, поэтому необходимо было заранее обезопасить себя. Ведь в случае ошибочности всех этих предварительных соображений и расчетов ядерная реакция могла оказаться неконтролируемой, а реактор — добровольно и неосторожно взорванной в лаборатории атомной бомбой.

«ЗЕРКАЛО» ДЛЯ НЕЙТРОНОВ

Если бы при конструировании ядерного реактора его мощность и другие свойства зависели только от одной критической массы используемого делящегося вещества, то количество потребного урана достигало бы нескольких десятков, а возможно, и сотен тонн, при соответственных размерах всего сооружения. Поэтому еще до реального воплощения в жизнь идеи создания ядерного реактора ученые были вынуждены заняться вопросом: при каких условиях критическая масса делящихся веществ чистого урана-235 и природного урана (урана-238), а одновременно и размеры самого реактора могут быть сведены к возможному минимуму? И, в частности, нельзя ли найти способ резко уменьшить количество нейтронов, безвозвратно покидающих массу делящегося вещества, не встретив на своем пути подлежащего делению ядра атома урана-235? Ведь по мере нарастания числа делящихся ядер урана-235 количество таких вылетающих из реактора нейтронов будет непрерывно увеличиваться, пока не установится состояние равновесия, при котором увеличение числа нейтронов за счет деления атомных ядер будет полностью компенсироваться числом нейтронов, покидающих пределы реактора. Тогда число делений в единицу времени достигнет предельной величины, то есть реактор достигнет уровня своей мощности. Естественно, чем меньше размеры реактора, тем скорее наступит такое равновесие, тем меньше будет мощность всей установки. В самом маленьком реакторе цепная реакция может вообще не наступить; ведь чтобы вылететь из такого реактора наружу, нейтронам приходится пролететь сравнительно небольшое расстояние, и они не успевают встретиться с ядрами урана-235. А что, если принять меры к возврату вылетевших за пределы реактора нейтронов? Тогда размеры установки можно было бы значительно уменьшить, не изменяя ее мощности. Достигается это тем, что вокруг реактора сооружается довольно толстая оболочка из вещества, хорошо отражающего нейтроны, например графита. Отражатель — это тот же замедлитель. Ведь нейтроны после соударений с ядрами замедлителя могут отразиться и назад. Претерпев многократные отражения при столкновении с ядрами отражателя, большая часть нейтронов направится обратно в реактор. Следовательно, число потерянных нейтронов сократится, и тогда размеры реактора можно значительно уменьшить.

«КОСТЕР» В ЛАБОРАТОРИИ

2 декабря 1942 года в г. Чикаго (США) в графитово-урановом штабеле, или, как его называли иначе, котле, собранном из урановых стержней, разделенных графитовыми блоками, была возбуждена впервые в мире цепная ядерная реакция. Главным действующим «лицом» в ней был нейтрон, замедленный многократными столкновениями с ядрами атомов графита до тепловой скорости. Чтобы уберечь себя от неожиданностей, с самого начала сборки внутрь штабеля были вставлены пластины, покрытые с двух сторон слоем кадмия. Количество кадмия было достаточно велико, чтобы «в случае чего» захватывать все образующиеся в расщепляемом уране нейтроны. Сборка штабеля производилась таким образом. Из графитовых блоков вокруг будущего реактора воздвигалось нечто вроде колодца со сплошными стенами и дном толщиной около 60 см. Эта сплошная оболочка должна была служить отражателем нейтронов.

Внутреннее устройство первого ураново-графитового ядерного реактора. Нейтроны, которые по тем или иным причинам вылетели бы из реактора, не выполнив предназначенной им работы — расщепления соседних ядер урана-235, — попав в этот сплошной слой углерода, отражались бы от него обратно в реактор. Дальше внутри колодца-отражателя выкладывались слои графитовых блоков: один слой сплошной, другой слой из блоков с двумя отверстиями, в которые вставлялись запаянные в алюминиевые рубашки слитки металлического урана весом примерно по 2,5 кг каждый. Получалась объемная металлическая решетка, в которой каждый слиток урана в рабочем блоке был обязательно отделен от соседнего слитка слоем графита толщиной в один сплошной графитовый блок. Схема этого реактора показана на рисунке. Помимо каналов для введения кадмиевых пластин, в теле штабеля было оставлено большое число отверстий, проникающих в него на различную глубину. В отверстия помещались чувствительные счетчики. Задачей их было улавливать появление, а затем и нарастание признаков возникшей в реакторе цепной реакции — радиоактивных частиц, гамма-излучений и нейтронов. По мере добавления числа урановых блоков одна из кадмиевых пластин, первоначально полностью опущенных внутрь штабеля, постепенно из него извлекалась. И вот, наконец, когда был выложен 50-й слой блоков с ураном и полностью извлечен один из кадмиевых стержней, началась, как это и ожидалось, контролируемая цепная реакция. После этого сверху было добавлено еще несколько слоев сплошных графитовых блоков—крышка, отражающая нейтроны, — и началось длительное и тщательное изучение хода этой новой для физики реакции. Первый котел имел довольно большие размеры: 9 X 6,3 X 9,6 м. Общий вес — более 1400 т. Он содержал примерно 52 т урана, из которых около 10 т, помещенных в 3200 патронов, были чистым (металлическим) ураном, а остальные 14500 патронов наполнены окисью урана, так как в то время металлического урана на весь «штабель» еще не хватало. На замедлитель и отражающий слой пошло около 472 т графита. Контроль и управление ходом реакции осуществлялись вдвиганием и извлечением пяти бронзовых пластин длиной около 5,2 м каждая, покрытых кадмием. Этот первый ядерный реактор был еще очень несовершенным. Его тепловая мощность сначала была до смешного мала — всего лишь 1/20 вт. Поистине комариная мощность! Лишь позднее котел стал давать 200 вт. Реактор не имел системы принудительного охлаждения; полученную от него энергию никак не использовали. Наконец, и система защиты от радиоактивных излучений в первом опытном экземпляре отсутствовала. Но ученых интересовало не это. Теоретические расчеты, предсказания, относящиеся не только к конструкции данного реактора, но и ко всему с таким трудом возводимому зданию ядерной физики, могли разлететься вдребезги или же, наоборот, получить самое наглядное и бесспорное подтверждение в зависимости от работы этой первой установки. Это была проверка опытом всей предыдущей, почти полувековой, работы физиков, первая попытка получить реальную энергию от ядерной реакции. Зарождалась новая эра — эра атомной энергии. Что касается самого реактора, то предсказания относительно происходящих в нем процессов оправдались. Все они в основном были именно такими, какими их и ожидали увидеть ученые. На самом деле все происходило не так уж гладко, в обстановке временных неудач и опасений, вскоре сменившихся ликованием ученых. Пуск первого атомного реактора, как и следовало ожидать, открывал множество дорог, по каждой из которых теперь надлежало отправить очень сильный отряд ученых. И трудно было предвидеть, встретятся ли они еще где-нибудь друг с другом, кто пойдет дальше, кто вернется назад, откуда и куда надо будет направить подкрепления и т. д. В капиталистических странах самый большой отряд ученых в первую очередь направили на производство атомного горючего: урана-235 и плутония, необходимых для производства самого страшного оружия современности — атомной бомбы.

АТОМНАЯ БОМБА

Мы уже говорили, что деление одного ядра урана-235 происходит в течение ничтожно малого промежутка времени, равного приблизительно одной стомиллионной доле секунды. И если при каждом делении выбрасывается два-три нейтрона, каждый из которых, в свою очередь, делит по одному новому ядру, то примерно за одну миллионную долю секунды успевают разделиться все 2,57 · 1024 атомов, содержащиеся в 1 кг урана-235. Произойдет взрыв огромной разрушительной силы, в ходе которого выделится энергия, соответствующая взрыву приблизительно 2500—3000 т самого сильного химического взрывчатого вещества. Однако такой взрыв может произойти только, если количество взятого урана-235 равно или больше критической массы. Для того чтобы началась цепная реакция, помимо критической массы, слиток урана-235 должен еще обладать и самой компактной формой (максимальным объемом при минимальной поверхности).

Для возникновения цепной ядерной реакция деления при одном и том же объеме урана наиболее выгодная форма — шар. Установить ее было самой трудной задачей и очень большим риском при конструировании атомной бомбы. Ведь любые вычисления могли оказаться неточными, а ошибка в этом случае наказывалась бы очень жестоко — атомным взрывом.

Схема устройства атомной бомбы. Два слитка урана с некритической массой (полушария), выстреленные навстречу один другому, мгновенно соединяются вместе, образуя критическую массу наиболее благоприятной формы (шар). Одна из возможных конструкций атомной бомбы показана на рисунке. В ней критическое количество урана (или даже несколько большее) разделено на две полусферы, каждая из которых заведомо меньше критической величины. Полусферы разведены на достаточно далекое расстояние одна от другой, и в этом положении цепная реакция в них возникнуть не может. Бомба совершенно безопасна. Если теперь очень быстро сблизить полусферы, например выстрелить ими одна в другую, то в момент их соединения масса общего слитка превысит критическую, возникнет саморазвивающаяся ядерная цепная реакция и произойдет взрыв. Критическая масса каждой полусферы может быть уменьшена, если ее окружить оболочкой, отражающей нейтроны обратно в слиток урана. Быстро сближать полусферы нужно потому, что цепная реакция в общей сфере уже начинается за ничтожно малую долю времени до полного сближения полусфер и силой начавшегося взрыва куски урана могут быть разбросаны по сторонам еще до деления всех заключенных в них ядер. Препятствует этому и тяжелая плотная оболочка, окружающая бомбу. По некоторым опубликованным в зарубежной печати данным, в атомной бомбе может быть всего лишь несколько килограммов урана-235 или плутония-239.