Ядерные реакторы

Оказалось, что цепной процесс может идти только в чистом или почти чистом уране²³⁵. Ядра урана²³⁵ делятся как медленными, так и быстрыми нейтронами. А ядра урана²³⁸ делятся только очень быстрыми нейтронами.

Такие быстрые нейтроны, правда, освобождаются при делении урана, но после нескольких столкновений с ядрами они теряют свою скорость и не могут произвести деления ядер урана²³⁸. Ядра тяжелого изотопа урана очень жадно поглощают нейтроны, обладающие средней, так называемой резонансной энергией. При этом деления ядра урана²³⁸ не происходит.

Нейтроны, получающиеся в природном уране после деления, в 99 случаях из 100 попадают в ядра урана²³⁸ и там поглощаются. Это обстоятельство препятствует возникновению цепного процесса в природном уране.

Для осуществления этого процесса необходимо отделить от природного урана основную часть урана²³⁸, то есть разделить изотопы.

Трудная задача. Если мы имеем смесь каких-нибудь веществ, то химики с помощью ряда операций легко могут разделить эти вещества. Но для разделения изотопов химические реакции бесполезны. По своим химическим свойствам изотопы не отличаются друг от друга. Получение отдельных изотопов в чистом виде имеет особое значение сейчас, когда становится ясной их роль в получении и использовании атомной энергии.

Разделение изотопов оказалось очень трудной задачей. Здесь можно использовать только различие масс их атомов и ядер. Но это различие заметно только у изотопов самых легких элементов; у тяжелых изотопов это отличие незначительно.

Так, например, у водорода разница в массах тяжелого (дейтерия) и легкого изотопов составляет 100 процентов, а у урана — всего 1,3 процента. И все-таки во всех известных в настоящее время методах разделения изотопов урана используют это различие в массах.

Предположим, что требуется разделить газ, состоящий из двух сортов молекул. Если температура во всех точках пространства, заполненного газом, будет одинакова, то средняя энергия хаотически движущихся молекул обоих сортов будет также одинакова, то есть — . Отсюда получается, что — , то есть средние скорости молекул обратно пропорциональны корням квадратным из их масс.

Если это соотношение применить к атомам урана, то получим, что скорость атома урана²³⁵ будет в 1,0065 больше скорости атомов урана²³⁸.

Различие в скоростях весьма мало, но все же его можно использовать для разделения изотопов урана в методе газовой диффузии. Принцип этого метода не сложен. Представим себе сосуд, разделенный перегородкой с мельчайшими порами. Если в одну часть этого сосуда впустить газообразный шестифтористый уран (есть такая соль урана), то молекулы, содержащие уран²³⁵, будут быстрее проникать через пористую перегородку и во второй половине сосуда газ будет содержать несколько большее количество легкого изотопа.

Наиболее простая диффузионная ячейка такого рода изображена на рис. 12. Ячейка состоит из трубки с пористыми стенками, помещенной внутри широкого сосуда, в котором с помощью насосов поддерживается вакуум. Газ, состоящий из двух сортов молекул различной массы, втекает в ячейку. Часть этого газа, прошедшая через пористую перегородку, имеет немного увеличенное содержание легких молекул. В конец ячейки поступает газ с большим содержанием тяжелых молекул.

Рис. 12. Схема диффузионной ячейки для разделения изотопов урана. В отверстия А поступает шестифтористый уран. Через В откачивают продиффундированный газ с увеличенным содержанием легкого изотопа. Из Д выходит газ, содержащий тяжелый изотоп урана

Благодаря малому различию атомных весов изотопов урана изменения изотопного состава газа в обоих сосудах очень малы. Поэтому для получения почти чистого урана²³⁵ и полного извлечения его из природного урана нужны тысячи таких ступеней разделения.

Другой способ основан на явлении так называемой термодиффузии газов. Если в сосуде, наполненном шестифтористым ураном, создать большой перепад температуры, то благодаря различию скоростей частиц газ, содержащий тяжелый изотоп, будет скопляться в холодной, а легкий — в горячей части сосуда. Здесь для достаточно эффективного разделения изотопов урана тоже необходимо очень много ступеней очистки.