Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

Теллеровскую легенду о «чистой» водородной бомбе охотно подхватили ответственные руководители как в Соединенных Штатах, так и в Англии. Но она вызвала возмущение в прогрессивных кругах. Достойную отповедь дает ей американский журнал «Сатердей ревью оф литератур». «Мы говорим, — пишет этот журнал, — о „чистых“ водородных бомбах так, будто мы имеем в виду высшую цель морального совершенствования. Каким чудовищным воображением нужно обладать, чтобы связать слово „чистый“ с устройством, которое может воспламенить города и превратить в пепел миллионы людей!».

«Чистые» и «нечистые» атомщики всячески стараются помешать решению в ООН вопроса о разоружении и запрещении атомного оружия. Американские, а вслед за ними и английские империалисты встречают в штыки неоднократно предлагаемую Советским правительством четкую, ясную и реальную программу прекращения испытаний ядерного оружия, программу, открывающую возможность соглашения о запрещении этого оружия.

Для получения ядерной энергии как источника тепловой, механической и электрической энергии необходимо, чтобы энергия выделялась постепенно с регулируемой по желанию мощностью.

Однако чистый уран 235 или плутоний 239, используемый в атомной бомбе, не годится в качестве ядерного горючего для этой цели, так как цепная реакция, осуществляемая в нем на быстрых вторичных нейтронах, протекает в виде взрыва.

Посмотрим, как ведет себя в этом отношении природный уран. Блуждающие (свободные) нейтроны, необходимые для начала ядерной реакции, всегда найдутся, если только взять кусок урана достаточно больших размеров. Нейтроны возникают главным образом за счет самопроизвольного деления ядер урана. Например, в куске урана массой 1 кг в каждую секунду происходит около 6–7 делений, в результате чего ежесекундно возникает 15–18 быстрых свободных нейтронов. Кроме того, небольшое число таких нейтронов может возникать под действием космического излучения. Энергия быстрых нейтронов (2 Мэв ) вполне достаточна для деления ядер как урана 235, так и урана 238, входящих в состав природного урана.

Однако, несмотря на эти, казалось бы, благоприятные условия, цепная реакция в куске природного урана сколь угодно большой величины не «зажигается», если не принять некоторых дополнительных мер. Дело в том, что быстрые нейтроны уже после нескольких столкновений с ядрами теряют скорость и перестают делить ядра урана 238. Поэтому цепная реакция в уране может идти только за счет ядер урана 235, которые делятся как быстрыми, так и медленными (тепловыми) нейтронами. Но урана 235 содержится в природном уране всего только 0,7%. Поэтому нейтроны сталкиваются чаще с ядрами урана 238 и в большинстве своем поглощаются ими без последующего деления.

Нельзя ли все же сделать так, чтобы цепная реакция в природном уране стала возможной? Оказывается, можно и притом двумя способами.

Первый способ связан с использованием замедленных нейтронов. Физические основы его следующие. Ядра урана 235 делятся любыми нейтронами, причем медленными даже лучше, чем быстрыми. Медленные же нейтроны не захватываются ураном 238 и не вызывают деления его ядер. Поэтому, если нейтроны, возникающие при делении, замедлять раньше, чем они будут сталкиваться с ядрами урана 238, то цепная реакция станет возможной.

Для этого необходимо блоки урана в виде кирпичиков или стержней расположить вперемежку со слоями какого-либо легкого вещества, при столкновении с ядрами которого нейтроны замедляются (но не поглощаются). Медленные нейтроны в большинстве своем будут двигаться в природном уране до тех пор, пока не столкнутся с ядром урана 235 и не произведут его деление. При этих условиях медленные нейтроны обеспечат развитие цепной реакции деления урана 235, несмотря на то, что этого изотопа в уране содержится почти в 140 раз меньше, чем основного изотопа 238. Те же нейтроны, которые все же будут поглощены ураном 238, вызовут превращение его в плутоний 239. Схема цепной реакции с замедлителем в природном уране приведена на рис. 40.

В качестве замедлителя нейтронов применяют на практике тяжелую воду, легкий металл — бериллийили, наконец, графит. Замедление является результатом упругих столкновений нейтронов с ядрами атомов замедлителя. Нейтроны и ядра замедлителя ведут себя в этих столкновениях, как упругие биллиардные шары. В случае центрального (лобового) удара движущийся биллиардный шар, столкнувшись с неподвижным шаром, останавливается, то есть замедляется полностью. При косых соударениях, которые чаще имеют место, шары замедляются только частично и после удара не останавливаются, а движутся, но с меньшей скоростью. Таким образом, движущийся биллиардный шар всегда замедляется, то есть всегда теряет часть своей энергии (скорости) при соударениях с неподвижным шаром. Аналогично этому ведут себя и нейтроны. После ряда упругих столкновений с ядрами замедлителя, которые можно считать неподвижными, быстрый нейтрон теряет значительную часть своей энергии (скорости) и становится медленным, скорость его движения сравнивается со скоростью теплового движения частиц окружающей среды.

В механике доказывается, что при упругом соударении двух шаров наибольшая потеря энергии будет в случае, когда массы шаров равны. Этот закон применим и к нейтронам с тем только отличием, что шары не могут поглотить друг друга, а с нейтроном при соударении с ядром такое может случиться. Обыкновенная вода, содержащая водород, ядра которого (протоны) имеют массу, приблизительно равную массе нейтрона, была бы наилучшим замедлителем, если бы не поглощала нейтронов. Всего 18 столкновений с протонами требуется в среднем быстрому нейтрону, чтобы стать медленным. К сожалению, протоны поглощают часть сталкивающихся с ними нейтронов, снижая тем самым коэффициент их размножения и скорость развития цепной реакции.

Практически лучшим замедлителем является тяжелая вода, в состав которой входит тяжелый водород — дейтерий. Ядра дейтерия (дейтроны) в 2 раза тяжелее нейтронов. Поэтому число столкновений с дейтронами, которое должен в среднем испытать быстрый нейтрон, чтобы скорость его уменьшилась до тепловой, составляет в среднем 25, а не 18, как у обычного водорода. Некоторое увеличение числа необходимых столкновений с лихвой компенсируется тем, что дейтроны совсем не поглощают нейтронов.