Путешествие в Страну элементов - Л. Бобров
Природный уран, как выяснили ученые, состоит из смеси трех изотопов с массовыми числами 238, 235 и 234. Первого из них, урана-238, в природном уране 99,28 процента; урана-235 — только 0,71 процента, а урана-234 — и того меньше. И вот обнаружилось, что с медленными нейтронами уран-235 взаимодействует очень своеобразно. Это приводит к совершенно новой ядерной реакции. Образовавшееся ядро изотопа урана-236 вместо испускания бета-частицы распадается на два осколка примерно равной массы с одновременным «рождением» двух или трех нейтронов. Схему такого взаимодействия урана-235 с нейтроном можно представить следующим образом:
23592U + 10n → 23692U → 9336Kr + 14056Ba + 310n
При такой реакции выделяется громадная энергия и образующиеся осколки с большой скоростью разлетаются в разные стороны.
Это навело ученых на мысль о возможности проведения цепной реакции. Ведь выделяющиеся нейтроны могли и дальше взаимодействовать с новыми ядрами урана. Прошло немного времени, и в 1942 году впервые в истории человечества людям удалось провести первую цепную ядерную реакцию.
Как устроена фабрика изотопов
Давайте более подробно разберем реакцию между ядрами урана-235 и нейтронами. При этой реакции на каждый израсходованный нейтрон появляется два или три новых. Однако необходимо учесть несколько обстоятельств.
Во-первых, образуются «быстрые» нейтроны, обладающие большой энергией, и, чтобы они могли взаимодействовать с новыми ядрами урана-235, их необходимо замедлить.
Во-вторых, природная смесь изотопов урана содержит в основном изотоп с массовым числом 238, который тоже может взаимодействовать с нейтронами (см. уравнение на стр. 310).
И, в-третьих, если количество урана, принимающего участие в ядерной реакции, невелико, то образующиеся нейтроны могут на своем пути не встретить ни одного атома урана-235 и улететь за пределы уранового блока, так и не совершив больше ни одного деления.
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
