Сергей Соловьёв - Валерий Легасов: Высвечено Чернобылем

В следующем году Фредерик Жолио-Кюри с сотрудниками обнаружил, что при делении помимо двух дочерних ядер образуется в среднем два-три вторичных нейтрона. Продуктами реакции деления оказались частицы, вызывающие эту реакцию. Это позволяло надеяться на возможность осуществления в уране самоподдерживающейся цепной реакции деления .

Откроем учебник по физике для 11 класса: «Ядерной цепной реакцией называется реакция, в которой частицы, вызывающие ее (нейтроны), образуются как продукты этой реакции» [13] Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика: Оптика. Квантовая физика. Углубленный уровень. 11 класс: учебник. М.: Дрофа, 2019. С. 390. .

Установлением необходимых условий для возникновения и поддержания цепной реакции деления, т. е. созданием теории цепной реакции, занимались одновременно и независимо друг от друга в двух местах – в Соединенных Штатах, куда, спасаясь от Муссолини и от Гитлера, перебрались многие физики Старого Света, и в Советском Союзе. Энрико Ферми там, Борис Яковлевич Зельдович и Юлий Борисович Харитон здесь. Эти люди явились основателями реакторной физики.

Одним из принципиальных положений этой теории стало установление того факта, что цепная реакция деления неосуществима на уране-238, т. е. на изотопе, массовое содержание которого в природном уране составляет свыше 99 %. Поддерживать цепную реакцию можно только в среде урана-235, содержание которого в природном уране – менее одного процента.

Еще одним принципиальным положением стало утверждение о необходимости введения в размножающую среду вещества- замедлителя , проходя через которое нейтроны деления, обладающие при рождении большими скоростями и энергиями, теряли бы свою скорость. Чем меньше скорость нейтронов, с тем большей вероятностью они делят ядра урана-235. Харитон и Зельдович указывали, что идеальными в качестве замедлителей являются водородосодержащие вещества , Ферми разрабатывал идею применения графита .

Ключевым понятием в теории цепной реакции деления стало понятие коэффициента размножения нейтронов .

Сразу после обнаружения образующихся в результате деления вторичных нейтронов стало понято, что цепная реакция возможна, если число нейтронов вылетевших из ядер при делении, будет больше, или, в крайнем случае, равно числу нейтронов, эти деления вызвавших. Отношение числа вторичных ядер к числу исходных получило название коэффициента размножения.

Выяснение условий, при которых осуществима цепная реакция деления, свелось к выяснению условий, при которых коэффициент размножения нейтронов больше единицы или равен единице.

Обратимся еще раз к физике для 11 класса:

«Для течения цепной реакции нет необходимости, чтобы каждый нейтрон обязательно вызывал деление ядра. Необходимо лишь, чтобы среднее число освобожденных нейтронов в данной массе урана не уменьшалось с течением времени.

Это условие будет выполнено, если коэффициент размножения нейтронов k больше или равен единице. Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в каком-либо “поколении” к числу нейтронов предшествующего “поколения”.

Под сменой поколений понимают деление ядер, при котором поглощаются нейтроны старого поколения и рождаются новые нейтроны. Если k>1, то число нейтронов увеличивается с течением времени или остается постоянным, и цепная реакция идет. При k<1 число нейтронов убывает, и цепная реакция невозможна». [14] Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Указ. соч., с. 391.

Чему в принципе может быть равен коэффициент размножения? Как определить, чему он будет равен для среды данного состава, данной формы и размеров, от чего он зависит, как можно придавать ему требуемое значение?

В предельном, идеальном случае коэффициент размножения равен числу вторичных нейтронов, рождающихся в среднем на один акт деления. Для урана-235 это число равно 2.416, т. е. при делении одной тысячи ядер, которое вызвано тысячей первичных нейтронов, рождается 2416 вторичных нейтронов.

Условие номер один, при котором коэффициент размножения был бы равен этому числу, состоит в том, чтобы среда, в которой предполагается осуществить цепную реакцию, состояла бы только из делящегося изотопа урана-235. И чтобы всякий нейтрон, поглощаясь в уране, вызывал бы деление со стопроцентной вероятностью.

Но так не бывает. Бывает, что нейтрон поглощается, не вызывая деления.

Не бывает ядерных реакторов с топливом, содержащим 100 % изотопа уран-235. Не бывает ядерных реакторов с ураном в химически чистом – металлическом – виде. Уран может применяться только в виде химических соединений; сейчас это в основном двуокись урана, в перспективе рассматривается нитрид урана.

Для цепной реакции в природном уране или в уране слабоогащенном, т. е. в таком, где массовая доля урана-235 повышена до нескольких процентов, необходим замедлитель нейтронов. А любой замедлитель, как и вообще любое вещество, является одновременно и поглотителем . Слабым, но поглотителем. Кроме того, в природном и в слабообогащенном уране основным поглотителем нейтронов является не поддерживающий цепную реакцию уран-238. Поглощение нейтронов в уране-238 и в замедлителе – вот две основные причины, существенно снижающие значение коэффициента размножения по сравнению с предельно возможной 2.416: снижающие до значений или немного превышающих единицу, или даже меньших, чем единица.

Интересно и характерно: увеличение количества замедлителя уменьшает захват нейтронов в уране-238, но одновременно – что совершенно естественно – увеличивает поглощение нейтронов в самом замедлителе.

Величина, которая характеризует уменьшение захвата в уране-238, называется вероятностью избежать резонансного захвата. С увеличением количества замедлителя эта вероятность растет, стремясь к единице. Величина, которая характеризует поглощение в замедлителе и во всех прочих материалах активной зоны, называется коэффициентом использования тепловых нейтронов. С увеличением количества замедлителя этот коэффициент падает, стремясь к нулю.

Реальное значение коэффициента размножения получается умножением числа 2.416 на произведение двух величин: вероятность избежать захвата в уране-238 и на коэффициент использования тепловых нейтронов, и еще на некоторые величины, которые от количества замедлителя не зависят и при данном составе топлива являются постоянными.

Если одна величина растет, стремясь к единице, а другая падает, стремясь к нулю, то их произведение должно иметь максимальное значение; до этого максимума оно растет, а затем падает. Стало быть, при увеличении количества замедлителя коэффициент размножения сначала растет, достигает максимума, затем падает. То есть должно существовать какое-то количество замедлителя в расчете на единицу массы топлива, при котором коэффициент размножения максимален.