Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Для управления ядерной цепной реакцией и предотвращения взрыва урановой активной зоны необходимо устройство, противоположное замедлителю по функциям. От атомов замедлителя нейтроны отталкиваются, а нам нужны атомы, которые бы улавливали нейтроны, не отталкивая и не испуская их. У некоторых изотопов кадмия ядерное сечение для нейтронов очень высоко, и из них можно изготовить «регулирующие стержни» для контроля за реакцией.

В конце 1942 года была предпринята первая попытка вызвать первую самоподдерживающуюся ядерную цепную реакцию. Это произошло под трибунами футбольного стадиона Чикагского университета, а руководил всем Ферми (в 1938 году эмигрировавший из Италии в Штаты, но не получивший еще гражданства, почему его и можно считать «врагом»).

К тому времени было налажено производство чистого урана как в форме металла, так и в форме оксида. Такой уран не был обогащенным, поэтому его критические размеры были крайне высокими и для возникновения цепной реакции был необходим очень большой «атомный котел». Название «котел» появилось из чисто визуального сходства: штабель кирпичей из урана, оксида урана и графита очень напоминал котел. Кроме того, термин «котел» был достаточно нейтральным и непонятным для непосвященных. После войны термин «атомный котел» еще какое-то время использовался, после чего был замен на гораздо более подобающий «ядерный реактор».

Размеры первого ядерного реактора составляли 9,1 м в ширину, 9,7 м в длину и 6,5 м в высоту, вес — 1400 т, 52 т которого составлял уран. Слои урана, оксида урана и графита сменяли друг друга, оставляя шел и, куда можно было поместить длинные стержни из кадмия.

Предположим, что во время такой реакции за определенный период делится определенное количество ядер атомов урана (n), высвобождая при этом x нейтронов. Y из этих∙нейтронов либо поглощаются атомами урана, не вызывая деления ядра, либо улавливаются другими веществами, либо вылетают из реактора. Значит, по атомам урана–235 попадает x–y электронов, вызывая деление их ядер. Соотношение (x–y)/n называется коэффициент размножения нейтронов.

Если коэффициент размножения нейтронов меньше 1, тогда во время каждой последующей реакции делится меньше ядер и высвобождается меньше нейтронов. В этом случае цепная реакция быстро прерывается.

Если же коэффициент размножения нейтронов выше 1, тогда во время каждой последующей реакции делится большее количество ядер и высвобождается больше нейтронов. За долю секунды интенсивность цепной реакции становится очень высокой, что приводит к мощнейшему взрыву.

У построенного в Чикагском университете реактора коэффициент размножения нейтронов при задвинутых регулирующих стержнях был намного ниже 1. По мере выдвижения стержней внутри реактора оставалось меньше улавливающего нейтроны кадмия, соответственно больше ядер атомов урана делилось. Коэффициент размножения нейтронов рос.

Можно предположить, что по мере выдвижения регулирующих стержней и роста коэффициента размножения ничего не происходит до тех пор, пока коэффициент не становится чуть выше 1, и тогда котел взрывается вместе с половиной города Чикаго.

К. счастью, этого можно избежать. Практически все (но не все) нейтроны, образующиеся в ходе ядерной цепной реакции, испускаются ядром урана сразу после деления. Это мгновенные нейтроны. Около 0,75% образующихся нейтронов испускаются продуктами деления через несколько минут после деления ядра. Это запаздывающие нейтроны.

Если коэффициент размножения нейтронов выше 1,0075, то количества мгновенных нейтронов вполне достаточно для увеличения интенсивности реакции, что неминуемо приводит к взрыву. Если же значение коэффициента колеблется в пределах от 1,0000 до 1,0075, то для увеличения интенсивности реакции мгновенным нейтронам необходима «помощь» со стороны запаздывающих. Это значит, что в течение очень короткого периода времени интенсивность деления ядер растет медленно. В это время необходимо задвинуть кадмиевые регулирующие стержни для уменьшения интенсивности деления. Автоматические системы управления кадмиевыми стержнями позволяют поддерживать коэффициент размножения в пределах 1,0000–1,0075, не приводя к угасанию реакции или взрыву. Если в автоматической системе управления случается сбой, то кадмиевые стержни сами задвигаются внутрь реактора, прерывая цепную реакцию. Система получается безаварийной, и 25-летний опыт подтверждает безопасность ядерных реакторов при условии, что они грамотно спроектированы.

2 декабря 1942 года в 15 ч 45 мин кадмиевые стержни атомного котла Ферми были вытащены на небольшое расстояние, достаточное для возникновения самоподдерживающейся реакции. Этот день, эту минуту принято считать началом «атомного века». (Даже если бы стержни вытащили целиком, коэффициент размножения нейтронов составил бы всего 1,0006 — вполне безопасный уровень.)

Вашингтону (имеется в виду правительство США. — Пер.) эту новость сообщили шифрованной телеграммой: «Итальянский мореплаватель добрался до Нового Света». Вашингтон задал вопрос: «Как вели себя аборигены?» — и тут же получил ответ: «Очень дружелюбно».

Количество атомных реакторов выросло, выросла и их производительность (по сравнению с самым первым, созданным Ферми, котлом). Сегодня ядерные реакторы есть у многих стран, применяющих их в самых различных областях.

Количество образующихся в процессе деления ядра атома урана нейтронов просто огромно. Их используют для бомбардировки различных атомов и для производства радиоизотопов в количествах, которые в других условиях получить просто невозможно. После Второй мировой войны радиоизотопы появились в достаточном количестве и по довольно низким ценам, в результате чего стали бурно развиваться технологии их применения в биохимических исследованиях, медицине и промышленности.

Ядерные реакторы также можно использовать для производства электроэнергии. Выделяемое реактором тепловое излучение может нагревать какую-либо высококипящую жидкость (например, жидкий натрий), которая, в свою очередь, будет кипятить воду, а образующийся пар — крутить турбину, генерирующую электричество.

В 1954 году США спустили на воду первую ядерную подводную лодку «Наутилус». Ее двигатели вращались за счет электроэнергии, вырабатываемой ядерным реактором, благодаря чему отпадала необходимость часто всплывать для подзарядки батарей. Так как ядерная подводная лодка может находиться под водой длительное время, врагу сложнее ее обнаружить и атаковать.