Под знаком кванта

Оглядываясь назад, трудно удержаться от удивления, насколько узкой оказалась тропа и сколь хрупким мостик из века пара и электричества в эпоху атома и ядра. Ведь любой из четырех сомножителей в формуле для коэффициента размножения нейтронов мог оказаться на 5—10 % меньше — и реактор на природном уране был бы невозможен. А если бы не запаздывающие нейтроны, то управление реактором стало бы специальной и трудной проблемой.

Все физические процессы, происходящие внутри ядерного реактора, мы знаем теперь во всех деталях. Для начала цепной реакции в принципе достаточно даже одного нейтрона. В толще урана они всегда есть: каждую секунду в 1 кг урана спонтанно делятся 7 ядер, и вылетающие при этом нейтроны могут служить «спичкой», поджигающей «урановый костер». Вылетевшие нейтроны, прежде чем дать 290

начало новому поколению нейтронов, живут в реакторе меньше тысячной доли секунды. За это время они успевают испытать с ядрами углерода 114 соударений, пройти путь 54 см, замедлиться до тепловых скоростей и вызвать новое деление ядра урана. Число нейтронов в реакторе нарастает лавинообразно и через несколько секунд достигает уровня, который заранее задан расположением регулирующих стержней поглотителей. В каждом кубическОхМ сантиметре объема мощного реактора содержится примерно пол миллиарда нейтронов, которые всегда «находятся в пути» от одного ядра урана к другому. В целом же внутри корпуса реактора устанавливается некоторое стационарное распределение нейтронов, так называемое нейтронное поле довольно сложной конфигурации, которое отчасти можно уподобить распределению электрического поля в электролитических ваннах. Им можно управлять, иногда оно испытывает колебания и всегда является предметом пристального внимания физиков и повседневных забот инженеров.

В целом, несмотря на сложность физических процессов, происходящих в «атомном котле», его принципиальная схема оказалась проста до чрезвычайности. «Урановый реактор олицетворяет собой самое гениальное и замечательное достижение разума за всю историю человечества»,— писал Фредерик Содди в конце жизни, через 50 лет после начала своих опытов с ураном и торием.

Спонтанное деление урана

ВОКРУГ КВАНТА

В феврале 1939 г. статьи Гана и Штрассмана, Мейтнер и Фриша почти одновременно дошли до Ленинграда. Как и повсюду, в лаборатории И. В. Курчатова немедленно начались эксперименты. Вскоре там тоже наблюдали осколки ядер урана, и уже в апреле Георгий Николаевич Флеров и Лев Ильич Русинов измерили число вторичных нейтронов деления v = 3±l, а в мае 1940 г. Флеров и Константин Антонович Петржак натолкнулись на новое, неожиданное явление природы — спонтанное деление ядер урана. Оказалось, что даже в отсутствие нейтронов, без внешнего воздействия, ядра урана самопроизвольно взрываются. Это происходит очень редко: период полураспада по каналу деления равен 10¹⁶ лет, то есть в миллион раз больше, чем время существования Вселенной, и в два миллиарда раз больше, чем период сс-распада урана. В среднем за час из 3-10²¹ ядер, содержащихся в 1 г урана, распадается всего 23 ядра. Это очень мало, но именно такие сигналы природы свидетельствуют о самых важных деталях ее устройства.

Естественный ядерный реактор Окло

7 июня 1972 г. при стандартном масс-спектрометрическом анализе урана, поступившего на обогатительный завод во Франции, было обнаружено, что содержание урана-235 в исходном сырье составляет 0,717 % вместо 0,720 %, обычного для всех земных пород, образцов лунного грунта и метеоритов. Поиски источника аномалии привели на рудник вблизи селения Окло в Габоне (Западная Африка). Концентрация двуокиси урана UO2 в месторождении Окло в среднем не превышала 0,5 % (что довольно обычно), но иногда в нем встречались линзы толщиной около метра и протяженностью 10—20 м с концетрацией UO2 до 20—40 %. Именно в этих линзах содержание изотопа урана-235 оказалось значительно меньше обычного (0,72 %) и достигало значения 0,62 %, а иногда 0,44 %.

Некоторое время ученые пребывали в замешательстве: до сих пор не было известно случая, чтобы изотопный состав какого-либо элемента зависел от взятого для анализа образца. Тщательное изучение геологии месторождения показало, 292 что оно расположено в дельте древней реки, в толще осадочных пород, образовавшихся около 1,8 млрд, лет назад, в раннюю протерозойскую эру. В то время сутки были в полтора раза короче нынешних, Европа покоилась на дне океана, вместо Азии было несколько материков, а жизнь только-только зарождалась: в морях уже обитали сине-зеленые бактерии, но пройдет еще около миллиарда лет, прежде чем они освоят процесс фотосинтеза.