Уильям Лоуренс - Люди и атомы

Хотя Ферми, проводя опыты с ураном, не знал о существовании урана-235 и обнаружил его лишь через год, это ни в коей мере не умаляет значения Великого Чуда 1934 г. Даже ничего не зная о существовании урана-235, ученые разработали средства, которые, если бы их применили, привели бы к открытию уранового деления уже в 1934 г.

В лабораториях всего мира физики, повторяя опыты Ферми, самоотверженно трудились, стараясь пролить свет на странные шутки, которые выкидывала природа.

Ученые полагали, что из урана в экспериментальной камере получены новые элементы, но как они ни старались, все же не могли идентифицировать эти элементы. Физики считали, что эти элементы тяжелее урана, в то время как на самом деле они были элементами, вес которых составлял примерно половину атомного веса урана,— потомство урана, размножившееся делением, подобно живым клеткам.

Разница между ядерным реактором и атомной бомбой заключается в том, что цепная реакция в бомбе, содержащей высококонцентрированный расщепляющийся материал, происходит за одну миллионную долю секунды, и вся энергия высвобождается в тысячу раз быстрее, чем при взрыве тротила. В ядерном же реакторе нейтроны замедляются с помощью замедлителя, например графита, так что энергия высвобождается на сравнительно небольшой регулируемой скорости.

Таким образом, атомная бомба — это неконтролируемый ядерный реактор. И, наоборот, ядерный реактор — это атомная бомба, находящаяся под контролем.

При расщеплении ядра тяжелого элемента на два легких элемента около 0,1% массы тяжелого атома превращается в ядерную энергию. Элемент, который может быть расщеплен таким образом, носит название делящегося элемента, или ядерного топлива.

Один килограмм ядерного топлива эквивалентен 23 миллиардам килокалорий, в то время как один килограмм высокосортного угля выделяет всего 7780 килокалорий. Другими словами, один килограмм ядерного топлива по энергетическому содержанию эквивалентен трем миллионам килограммов, или 3000 тонн высокосортного угля. Как взрывчатое вещество один килограмм ядерного топлива эквивалентен 20 000 тонн тротила.

Природа снабдила нас единственным видом естественного ядерного топлива — ураном-235. Кроме того, существуют еще два искусственно полученных вида ядерного топлива — плутоний и уран-233. Они созданы из двух неделящихся элементов — урана-238 и тория.

Уран, находящийся в природе, состоит из смеси двух разновидностей (изотопов) в соотношении 140 частей урана-238 на одну часть урана-235.

Другими словами, природа дает лишь 0,7% делящегося урана на 99,3% неделящегося. Таким образом, в одной тонне природного урана содержится лишь около 6,3 килограмма урана-235.

В ядерном реакторе, или атомном котле, уран-235 расщепляется нейтроном. Этот первый нейтрон может быть обусловлен космическим излучением Вселенной. Он служит искрой, которая зажигает ядерный огонь.

Каждое ядро урана-235 при расщеплении выделяет энергию в виде тепла, в три миллиона раз большую, чем энергия, выделяемая эквивалентным количеством угля. Кроме того, при этом освобождается в среднем 2,5 нейтрона, которые расщепляют новые атомы, т. е., в свою очередь, выделяют новые нейтроны и, таким образом, продолжают цепную реакцию. В отличие от обычного горения для этого процесса не требуется кислорода.

В ядерном реакторе около половины нейтронов, освобождаемых в процессе деления, идет на поддержание цепной реакции, т. е. на расщепление других атомов урана-235 и, следовательно, на выделение тепла. Другая половина попадает в ядро неделящегося урана-238.

Когда нейтрон попадает в ядро атома урана-238, он превращает его в новый элемент — плутоний, не существующий в природе. Таким образом, плутоний является делящимся элементом, который, как и уран-235, расщепляется нейтронами. Аналогичным образом, когда нейтрон попадает в торий, тот превращается в делящийся изотоп — уран-233, не существующий в природе.

Однако в реакторе, работающем на природном смешанном уране, только 80% нейтронов, не требующихся для поддержания цепной реакции, идет на превращение урана-238 в плутоний. Это означает, что в результате расщепления 6,3 килограмма урана-235, содержащихся в тонне природного урана, образуется лишь 5 килограммов плутония; они, в свою очередь, создадут лишь 4 килограмма и т. д. со скоростью, уменьшающейся на каждой стадии на 20%, так что всего окажется использованным лишь 3% всего урана.

На самом же деле в таком реакторе будет израсходовано урана значительно менее 3%, так как после работы в течение некоторого времени осколки расщепленных атомов (продукты деления, или ядерная зола) отравляют реактор, поглощая так много нейтронов, что оставшихся не хватает даже для поддержания цепной реакции. Поэтому приходится останавливать реактор, убирать тепловыделяющие элементы и устранять продукты деления, представляющие собой 90 радиоактивных изотопов, обращение с которыми требует особой осторожности. Именно на это уходит больше всего средств при использовании ядерного реактора этого типа.

Существует несколько типов ядерных реакторов; все они еще проходят экспериментальную проверку, и многие, без сомнения, будут пущены в ближайшие несколько лет. Некоторые реакторы работают на обогащенном топливе, где к естественному урану добавлено небольшое количество очищенного урана-235. Другим интересным видом реактора является гомогенный реактор, где ядерное топливо находится в виде раствора, из которого непрерывно удаляются продукты деления.

Но самым многообещающим реактором из всех является реактор-размножитель, способный воспроизводить больше ядерного топлива, чем потреблять.

Реактор-размножитель — это одно из современных чудес. Существует пословица: один пирог два раза не съешь. Тут вы можете не только два раза съесть один и тот же пирог, а напротив — чем больше вы съедаете пирога, тем больше его у вас остается.

В размножителе использовано то обстоятельство, что в результате деления одного ядра в среднем образуется 2,5 нейтрона. Так как для поддержания цепной реакции, т. е. для расщепления других атомов, нужен всего один нейтрон, то остается 1,5 нейтрона для превращения урана-238 в плутоний.

Таким образом, по мере использования каждого атома урана-235 в качестве топлива при идеальных условиях возникает полтора атома плутония (здесь 1,5 — коэффициент воспроизводства *).

* Коэффициент воспроизводства — это отношение числа атомов вторичного ядерного топлива к числу атомов израсходованного первичного топлива урана-235. В реакторах-размножителях он может быть больше единицы.— Прим. ред.

Делая скидку на потери, давайте предположим, что коэффициент воспроизводства равен 1,1. Это означает, что каждый килограмм урана-235, сгоревший как топливо, заменится 1,1 килограмма плутония. Следовательно, когда первоначальные 6,3 килограмма урана-235, содержащиеся в тонне природного урана, сгорят, выделив тепло, эквивалентное 21 000 тонн высокосортного угля, 6,9 килограмма делящегося урана-238 превратятся в такое же количество делящегося плутония.