Андрей Несмеянов - Радиоактивные изотопы и их применение

При облучении урана нейтронами получаются изотопы элементов с зарядами ядра в полтора — три раза меньшими, чем заряд ядра урана. Как могут такие элементы получиться из урана при облучении его нейтронами?

Ядра атомов урана под действием нейтронов делятся на два «осколка», представляющих собой, например, ядра с зарядами 56 (барий) и 36 (криптон), 57 (лантан) и 35 (бром) и т. д., то есть на ядра элементов середины периодической системы элементов, сумма зарядов которых равна заряду урана 92.

Из предыдущего ясно, что в результате такого деления высвобождается огромная энергия, в миллионы раз превосходящая энергию горения самого лучшего топлива. Если все ядра атома, находящиеся в одном грамме урана, претерпят деление, то выделится энергия, равная 8 миллиардам килограммометров, или 20 миллиардам калорий. С помощью этой энергии можно 8000 тонн груза поднять на высоту 1000 метров или 200 тонн воды нагреть от 0° до 100°. Эта энергия достаточна для того, чтобы 15 000 электролампочек по 60 ватт горели в течение суток.

Ядро атома урана содержит больше нейтронов, чем ядра двух образовавшихся из него «осколков». Избыток нейтронов выделяется в свободном состоянии при делении ядра. Установлено опытным путем, что каждое деление ядра атома урана сопровождается испусканием двух — трех нейтронов. Естественно предположить, что эти нейтроны будут взаимодействовать с новыми ядрами атома урана и вызывать их деление. На рис. 9 показана схема деления урана 235. В свою очередь при каждом новом делении образуется по два — три новых нейтрона, которые также могут вызвать деление последующих ядер атомов урана.

Число нейтронов, а следовательно, и число актов деления, в этом случае будет возрастать, как лавина, охватывая все новые и новые атомы урана. Таким образом может идти так называемый цепной процесс деления (рис. 10). Однако для того чтобы этот процесс осуществлялся на практике, необходимо, чтобы выделяющиеся при делении нейтроны вызывали новые деления; а не какие-либо посторонние процессы. Такими посторонними процессами являются: уход нейтронов за пределы куска урана; взаимодействие ядер урана 238 с нейтронами с образованием урана 239, который затем испускает электроны и переходит в плутоний 239; взаимодействие нейтронов с примесями, находящимися в уране.

Несмотря на то, что плутоний 239 подобно урану 235 способен к делению с размножением нейтронов и сам по себе является ценным изотопом, получение которого важно для атомной энергетики, в процессе развития реакции деления урана 235 его образование может вести к затуханию цепной реакции деления.

Количество атомов плутония, получающихся в процессе деления, как правило, меньше количества атомов разделившегося урана 235.

Если устранить по возможности посторонние процессы, то раз начавшийся процесс деления урана будет происходить самопроизвольно, при этом будет выделяться большое количество энергии.

Цепная реакция деления ядер природного урана благодаря наличию в нем урана 238 может осуществляться только на так называемых медленных нейтронах. Медленные, или тепловые, нейтроны имеют скорость порядка 2000 м/сек. В состав природного урана входят три изотопа:

Изучение процесса деления урана показало, что делению подвергаются главным образом ядра урана 235. Его деление происходит легче под действием медленных нейтронов. Ядра атомов урана 238 делятся только под действием быстрых нейтронов. Уран 238 не делится под действием медленных нейтронов. Уран 234 в смеси находится в таком небольшом количестве, что он практически не влияет на процесс деления.

Деление урана начинается самопроизвольно благодаря внутренней неустойчивости его ядра [8] Так называемое спонтанное деление урана, которое было открыто в 1940 г. советскими физиками Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком. или под действием случайных нейтронов, которые образуются под влиянием космических лучей на ядра атомов азота и кислорода воздуха. Нейтроны, выделившиеся при первом делении, легко могут вылететь за пределы куска урана (если объем его мал) или поглотиться в каком-либо постороннем акте в случае наличия в уране ядер атомов других элементов. Процесс деления в этом случае не будет развиваться, он прекратится; поэтому необходимо, чтобы масса урана была велика — больше определенной величины (критической), когда практически большая часть нейтронов успевает вступить во взаимодействие с ураном. В куске урана с массой меньше критической процесс деления не будет развиваться, ибо нейтроны, выделяющиеся при делении, будут уходить за пределы этого куска и процесс прекратится. В куске урана с массой больше критической раз начавшийся процесс деления вследствие действия выделяющихся нейтронов на новые ядра атома урана будет развиваться со все возрастающей скоростью. Чем больше содержание урана 235 в уране, тем меньше критические размеры, поэтому цепную реакцию деления лучше проводить на уране, обогащенном ураном 235. Обогащение достигается при разделении изотопов урана. Одним из способов разделения изотопов урана служит газовая диффузия. Из урана получают жидкость — шестифтористый уран, ее испаряют и пропускают через ряд пористых перегородок. Скорость прохождения изотопных молекул через перегородки неодинакова. Более легкие молекулы, содержащие уран 235, проходят быстрее. В связи с этим при прохождении каскада перегородок происходит частичное разделение (обогащение) или полное разделение изотопов урана.

Для того чтобы лучше (с бóльшим выходом) происходила реакция деления ядер атомов урана 235, нейтроны необходимо замедлить. Замедлителем нейтронов служат атомы легких элементов таких, как углерод, водород, бериллий и т. п. Нейтроны при столкновении с атомами углерода или водорода теряют свою энергию — замедляются (см. рис. 10), не вступая с ними в реакцию. Замедление необходимо проводить так, чтобы нейтроны теряли энергию от большой к маленькой, не соприкасаясь с ураном 238. Иначе нейтроны, замедленные до скоростей промежуточных между выделившимися и замедленными (с энергией около 1 миллиона электрон-вольт), будут реагировать с ураном 238 с образованием урана 239. Следовательно, нейтроны не будут идти на деление новых ядер атомов урана 235, и цепной процесс деления прекратится. Такое замедление достигается путем размещения урана в замедлителе, например построением решетки из урана и графита.