Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра

Большие блоки урана (U²³⁵ и U²³⁸ в природной смеси) помещались в огромный реактор, заполненный каким-нибудь легким элементом, действовавшим как замедлитель. В замедлителе нейтроны тормозились, не поглощаясь, благодаря (редким) упругим столкновениям с его ядрами, в каждом из которых терялась малая доля их энергии. Вода была бы идеальным замедлителем, если бы входящий в ее состав водород не имел тенденции захватывать нейтроны, превращаясь в «тяжелый водород» — дейтерий. Сам дейтерий тяжелой воды тоже был бы хорошим замедлителем, но отделение тяжелой воды от обычной стоит дорого. Довольно хорошим замедлителем является чистый углерод, ядра которого только в 12 раз тяжелее нейтрона. (В лобовом соударении нейтрон теряет 15 % своей кинетической энергии.) Вылетевшие при делении U²³⁵ нейтроны блуждают по урану и замедлителю до тех пор, пока они не замедлятся до скоростей молекул газа, находящегося при комнатной температуре, т. е. до «тепловых энергий», составляющих примерно ¹/₃₀ эв. Тогда с большей вероятностью они поглощаются U²³⁵ (и вызывают новое деление), чем U²³⁸. Атомов U²³⁸ гораздо больше, но они захватывают нейтроны промежуточных скоростей и очень слабо — медленные нейтроны.

Фиг. 161. Получение плутония.

_{а — уран и нейтроны. Время от времени быстрый нейтрон захватывается ядром U²³⁸, причем последнее становится более тяжелым ядром урана. Это ядро нестабильно (радиоактивно), оно излучает β-лучи. Так как такое ядро урана перенасыщено нейтронами, оно заставляет один из его нейтронов превратиться в протон, причем возникающий + заряд компенсируется — зарядом, уносимым β-лучом. Новое ядро имеет заряд +93 е, т. е. оно является ядром нового элемента, на одну клетку отстоящего от урана в периодической системе элементов. Этот элемент называется нептунием; б — ядро атома нептуния нестабильно. Оно излучает β-лучи, превращаясь в ядро плутония. Плутоний от урана можно отделить химическим путем; в — плутоний, как и U²³⁵, является делящимся материалом. Кроме того, он нестабилен, так же как уран или радий, и, излучая α-частицу, превращается в U²³⁵.}

При определенном соотношении между урановыми блоками и окружающим замедлителем в таком реакторе нейтроны ведут себя следующим образом: один из нейтронов, возникающих при каждом делении U²³⁵, замедляется, а затем осуществляет новое деление U²³⁵. Остальные нейтроны, вылетающие при делении U²³⁵, как быстрые, так и медленные, захватываются атомами U²³⁸ и ведут к образованию плутония.

Подобно бомбе, самоподдерживающийся реактор должен обладать размером больше некоторого критического, иначе из него будет выходить слишком много нейтронов[174].

Фиг. 162.Реактор; нейтроны в «ядерном котле» из урановых блоков, окруженных замедлителем.

_{(Прямыми отрезками показан путь нейтронов между отдельными столкновениями. Различная, толщина отрезков характеризует величину скорости нейтрона.) а — нейтрон вызывает деление, в результате которого возникают 3 нейтрона; б — нейтрон вызывает деление; один из образовавшихся 3 нейтронов вызывает новое деление. Другой поглощается ядром U²³⁸.}

Критический размер для реактора на естественном уране с графитовым замедлителем равен примерно размерам коттеджа, даже если он окружен отражателем нейтронов из тяжелого металла. Непрерывно «сгорая», U²³⁵ дает не только нейтроны, но колоссальный поток тепла, за счет осколков деления. Для охлаждения реактора необходимы громадные вентиляторы или целые реки воды. Тепло можно использовать для производства полезной энергии в большом масштабе. При этом, однако, возникает серьезная проблема защиты от радиоактивности.