Моисей Нейман - Термоядерное оружие

Процессы, при которых изменяются ядра атомов, называются ядерными реакциями. Рассмотрим для примера несколько ядерных реакций, происходящих при бомбардировке алюминия различными частицами.

1. При обстреле алюминиевой мишени быстролетящими ядрами гелия последние проникают в ядро алюминия, из которого при этом выбивается нейтрон, причем получается новое ядро, а именно ядро одного из изотопов фосфора. Эта ядерная реакция записывается следующим образом:

2. Если же алюминиевую мишень подвергнуть бомбардировке не ядрами гелия, а быстролетящими ядрами тяжелого водорода, то происходит следующая ядерная реакция:

В результате из ядра выбрасывается протон и получается более тяжелый изотоп алюминия.

3. При бомбардировке 13Al 27быстролетящими протонами из ядра выбивается нейтрон и образуется один из изотопов кремния по реакции

4. Если алюминиевую мишень подвергнуть бомбардировке нейтронами, то из ядра выбивается протон и получается магний по реакции

Число ядерных реакций, изученных до настоящего времени, достигает нескольких тысяч.

Так как ядро весьма мало и невидимо ни в какой микроскоп, то попасть в него с целью осуществить ядерную реакцию очень трудно.

Как попасть в эту невидимую цель? Приходится применять здесь тот же способ, который используют для уничтожения невидимого противника, например в темноте или в лесу. В этом случае пространство, в котором где-то находятся солдаты врага, «прочесывают». Автоматные очереди следуют одна за другой. Множество пуль пролетит мимо, пока какая-то из них убьет врага. Чтобы попасть в невидимую цель в этих условиях, нередко приходится выпускать сотни и тысячи пуль.

Подобное явление имеет место и при обстреле атомных ядер. Только в данном случае приходится еще больше расходовать снарядов главным образом из-за того, что ядра в атомах занимают ничтожную долю объема. Когда на атомы в определенных условиях, например на атомы металла, составляющие слой толщиной в один микрон, направляют поток альфа-частиц, то из десятков и сотен тысяч альфа-частиц только одна попадает в ядро. В общей сложности на проведение ядерной реакции затрачивается энергии значительно больше, чем выделяется в результате реакции. Поэтому для использования ядерной энергии было необходимо найти такой процесс, при котором достаточно было бы разрушить только несколько первых ядер атомов, что вызывало бы разрушение остальных подобно тому, как в печке поджигают только одну щепку, а остальные щепки и поленья уже сами от нее загораются и при сгорании выделяют энергию.

Такой процесс, при котором разрушения атомных ядер следуют друг за другом, называют цепным процессом, цепной реакцией.

Что представляет собой цепная реакция?

Если нейтрон попадет в ядро урана 235 или плутония 239, то это ядро разделится на два «осколка», причем, как показали опыты Фредерика Жолио-Кюри, образуется два или три новых быстролетящих нейтрона. Реакции деления могут быть различными, например:

или

или

или

Мы видим, что при делении ядра урана распадаются на разнообразные « осколки». При этом могут получиться: барий и криптон, лантан и бром, ксенон и стронций, олово и молибден или многие другие пары атомных ядер элементов. Во всех случаях, однако, сумма зарядов получившихся «осколков» равна 92, то есть заряду делящегося ядра урана, так как число протонов при делении не изменяется.

Получающиеся при делении нейтроны летят с неодинаковой скоростью, доходящей до десятков тысяч километров в секунду. Каждый такой нейтрон, как показано на рис. 7, может попасть в следующее ядро и разрушить его; из разрушенного ядра вылетают новые нейтроны и т. д. Если из каждого ядра будут вылетать даже только по два нейтрона, то первые два нейтрона вызовут появление новых четырех. Затем их станет: 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512 и т. д. Реакция будет развиваться подобно лавине в горах, где один катящийся с горы камень увлекает несколько других, а каждый из них увлекает новые камни, и вскоре образуется грандиозная каменная лавина. В течение короткого времени будет разрушено громадное число атомных ядер. Каждое ядро при этом выделит большую энергию. Быстрое выделение большой энергии в малом пространстве приведет к взрыву.

Ядра урана 238 также способны делиться, но только под влиянием быстрых нейтронов, имеющих скорость движения приблизительно 20 000 км/сек , но и в этом случае вероятность деления невелика. Гораздо чаще быстрые нейтроны, сталкиваясь с ядрами урана 238, передают им значительную часть своей энергии, начинают двигаться медленнее и уже не могут вызвать деление ядер урана 238. Основное отличие урана 238 от урана 235 заключается в том, что ядра первого могут делиться только под влиянием быстрых нейтронов, в то время как ядра урана 235 и других видов ядерного горючего могут делиться при воздействии как быстрых, так и медленных нейтронов.

Нейтроны в природном уране, замедленные в результате столкновений с ядрами атомов, могут попасть либо в ядра урана 235 и вызвать их деление, либо в ядра урана 238 и поглотиться последними. Так как ядер урана 238 в 140 раз больше, чем ядер урана 235, поглощение нейтронов ураном 238 является весьма вероятным процессом, протекающим одновременно с делением ядер урана 235. Этого урана хотя и мало, зато способность его расщепляться под действием медленных нейтронов очень велика.

Советские ученые Ю. Б. Харитон и Я. Б. Зельдович еще в 1940 году доказали, что именно из-за сильного поглощения нейтронов ураном 238 в природном уране цепная реакция не приводит к взрыву.

Читатель уже знает, что ядра урана и плутония могут делиться не только под влиянием нейтронов, но способны также к самопроизвольному делению, которое тоже сопровождается вылетом нескольких нейтронов. Самопроизвольное деление происходит очень редко — в 1 кг урана в секунду самопроизвольно делится примерно 10 ядер урана. В куске урана 235 или плутония 239 цепная реакция деления при некоторых условиях может возникнуть самопроизвольно.

Какие же это условия?

Дело заключается в том, что малый кусочек ядерного горючего взорваться не может, так как большинство нейтронов, пролетая в промежутках между ядрами атомов, достигает поверхности кусочка урана или плутония, не встретив на своем пути ни одного ядра. В результате бóльшая часть нейтронов вылетает из куска ядерного горючего наружу, и процесс размножения нейтронов не происходит. В большом же куске урана или плутония вылетающие из его центра нейтроны не долетают до поверхности куска и принимают участие в развитии цепной реакции, что приводит к взрыву.