Ефим Балабанов - Ядерные реакторы

Вместе с тем большая масса угля в топке легко сгорит до конца.

Горение угля может происходить только при температуре 500–600 градусов, то есть оно может поддерживаться только тогда, когда выделяющегося при реакции тепла достаточно, чтобы нагреть соседние слои угля до этой температуры. Но тогда нужно, чтобы меньше тепла уходило через поверхность горящего тела. Очевидно, что потеря тепла зависит от величины поверхности горящего тела, а относительная величина поверхности растет с уменьшением размеров тела. Так, например, для шара диаметром 20 сантиметров отношение поверхности к объему будет 0,3, тогда как при диаметре шара 2 сантиметра это же соотношение будет 3, то есть в десять раз больше. Естественно, что при горении малый шар будет терять относительно больше тепла, чем большой. Потеря тепла может быть настолько велика, что горение перестанет само себя поддерживать.

Таким образом, химическую реакцию горения можно осуществить только в достаточно большом объеме [6] Но в очень большом куске горение также не поддерживается из-за недостатка кислорода. Для интенсивного горения нужны большие массы раздробленного угля, через который легко проходит воздух. .

Так же как и химический, ядерный цепной процесс не может идти в малом куске расщепляющегося материала.

Для цепного процесса в уране необходимо, чтобы нейтроны, получающиеся при делении, производили новые деления. Но так как ядра составляют ничтожную часть объема вещества, нейтроны могут свободно пройти сквозь малый объем урана 235, не задев ни одного ядра, то есть не совершив нового деления (на рис. 13, А ). Нужно уменьшить выход нейтронов, а это можно сделать двумя способами. Во-первых, можно увеличить объем (на рис. 13, Б ), при этом уменьшится относительное значение поверхности куска урана и, следовательно, уменьшится вероятность выхода нейтронов через эту поверхность. Во-вторых, выход нейтронов можно уменьшить, окружив кусок урана веществом, отражающим нейтроны (на рис. 13, В ). Нейтроны, сталкиваясь с ядрами вещества отражателя, будут частично возвращаться обратно в уран, где вновь примут участие в цепном процессе.

Для осуществления цепного процесса в уране необходимо, чтобы кусок урана был больше определенного объема или чтобы вес куска урана был больше так называемого критического веса.

Чем же определяется критический вес куска урана 235? Легко показать, что необходимым и достаточным для осуществления цепной реакции является условие, при котором хотя бы один из нейтронов деления производит новое деление.

Предположим, что в каждом акте деления получаются три нейтрона (рис. 14). Один из нейтронов может после ряда соударений с ядрами урана или вещества отражателя произвести еще одно деление; при этом появятся опять три нейтрона. Другой нейтрон может, столкнувшись с ядром какого-либо вещества посторонней примеси, им поглотиться; новых нейтронов при этом возникать не будет. И, наконец, третий нейтрон может выйти за пределы урана и отражателя, не произведя ядерной реакции.

Но, несмотря на эти потери нейтронов, реакция будет себя поддерживать. Действительно, в начале процесса после первого деления было три нейтрона. Это первое поколение нейтронов исчезло, но дало «жизнь» еще трем нейтронам второго поколения. Если в результате одного деления, произведенного вторым поколением нейтронов, появятся опять три нейтрона, то число нейтронов в последующих поколениях будет одинаковое. Если число нейтронов, рождающихся в единицу времени, постоянно, то постоянно и число ядерных делений, а следовательно, и количество выделяющейся энергии. Иначе говоря, уровень мощности такой атомной установки будет постоянным.

Очевидно, что критический вес, при котором начинается цепной процесс, есть тот минимальный вес, при котором каждое поколение нейтронов рождает последующее поколение, состоящее из такого же количества нейтронов, то есть потери нейтронов вследствие утечки или поглощения примесями должны быть полностью компенсированы образующимися в уране нейтронами.

Критический вес зависит прежде всего от формы куска урана, которая определяет величину поверхности. Можно показать, что при одном и том же объеме (или весе) наименьшей поверхностью обладает шар. Например, при одинаковом объеме, равном 125 кубическим сантиметрам, тонкая пластинка размером 25×5×1 сантиметр имеет примерно в три раза бóльшую поверхность, чем поверхность шара радиусом 3,1 сантиметра. Поэтому критический вес сферического куска урана — наименьший и для чистого урана 235равен примерно одному килограмму. Критический вес может быть значительно уменьшен применением отражателя, препятствующего утечке нейтронов.

Атомный взрыв.Присутствующие в уране 235примеси поглощают нейтроны, что создает дополнительные их потери. Эти потери могут быть компенсированы только уменьшением выхода нейтронов наружу. А это приводит к увеличению критического веса урана 235.

Здесь можно провести аналогию с горением сырого дерева. Вода поглощает большое количество тепла, выделяющегося при горении, и поэтому трудно разжечь и поддерживать огонь в сырых дровах.

В уране при большом содержании примесей потеря нейтронов вследствие их поглощения не может быть компенсирована ни отражателем, ни увеличением критического веса урана. В таком «грязном» уране цепной процесс не может возникнуть, как бы мы ни увеличивали размеры куска. Поглощающей нейтроны примесью является тяжелый изотоп урана — уран 238. Поэтому в сплошном куске природного урана любого объема цепной процесс осуществить нельзя.

Наши рассуждения можно подтвердить очень простыми расчетами.

Предположим, что в куске урана цепной процесс начался в результате одновременного появления N 0нейтронов. Из этих нейтронов некоторое число поглотится примесями, и если предположить, что p есть доля нейтронов, которым удалось избежать этого поглощения, то останется, очевидно, N 0 p нейтронов. Кроме этого, часть нейтронов выйдет наружу, но некоторая доля f нейтронов произведет деление ядер урана. В каждом делении будет освобождаться ν новых нейтронов. Таким образом, мы будем иметь второе поколение нейтронов в количестве N 0 pfv. Очевидно, что каждая из величин р и f будет меньше единицы.