Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра

Фиг. 159. Деление урана: цепная реакция.

Рисунки весьма схематичны. Клетка с надписью «деление» обозначает именно это событие. Нейтроны, возникающие при делении, разлетаются во все стороны. На рисунке же они показаны вылетающими вперед, чтобы показать последовательные стадии процесса размножения.

Для взрыва обычной бомбы необходим взрыватель или детонатор. В случае атомной бомбы дело обстоит иначе. Большая бомба взорвется сразу, как только случайные нейтроны, всегда присутствующие в космических лучах (или возникающие при спонтанном делении), вызовут в ней хотя бы одно деление. Следовательно, бомбу необходимо изготовлять из кусков, каждый из которых имеет размер, меньший критического, и не может взорваться самопроизвольно. Далее эти куски необходимо соединить быстро, настолько, чтобы бомба не успела взорваться раньше, чем она будет полностью собрана. Нужно взять, скажем, два куска U 235, каждый размером 3/ 4критического, и мгновенно стукнуть их друг о друга так, чтобы получился кусок в 1 1 1/ 2критического размера, который бы после этого взорвался. Это можно сделать быстро, скажем, выстрелив из маленькой пушки одним куском урана по другому. Как это делается в действительности, — наверно, военный секрет. Самый же главный «секрет» [171]— то, что это вообще можно сделать, — был разглашен самим взрывом атомных бомб.

При взрыве атомной бомбы массой порядка 2,5 кг урана рассеивается много неподелившегося материала. Поэтому нельзя оценить всю выделившуюся энергию, считая, что каждый атом U 235дает 200 Мэв. Но даже с поправкой на неполное использование материала и на утечку нейтронов энергия, выделяющаяся при взрыве бомбы, огромна. Выделение энергии (кинетической энергии осколков деления) настолько велико, что взрыв сопровождается мощным потоком все испепеляющего излучения и сильнейшей ударной волной сжатия. Продукты деления, избыточные нейтроны [172]и гамма-лучи способны производить сильные и глубокие радиационные повреждения.

Фиг. 160. Принцип устройства атомной бомбы. (Весьма схематическое изображение.)

а— в куске делящегося материала, например U 235, размер которого меньше критического, цепная реакция не может развиваться из-за утечки нейтронов; б— кусок делящегося материала с размером больше критического можно составить из более мелких кусков. В большом «блоке» цепная реакция, начавшись, будет нарастать взрывным образом. В разгоняющейся цепной реакции нейтроны, возникающие в каком-либо делении, дают более чем одно новое деление. Однако имеет место утечка большого числа нейтронов.

Реакторы. Производство плутония

После открытия деления была прослежена судьба поглотившего один нейтрон атома U 238 [173]. Новое ядро, U 239, нестабильно, оно излучает β -лучи и скоро превращается в атом неизвестного элемента, стоящего за ураном в периодической системе элементов. Ядро 92U 239излучает β -лучи и становится 93? 239. Новый элемент тоже нестабилен. Он, излучая β -лучи, превращается в другой неизвестный элемент. По аналогии с планетами следующие за ураном новые элементы были названы нептунием и плутонием.

0 n 1 + 92 U 238—> 92 U 239—> -1 e 0+ 93 Np 239—> -1 e 0 + 94 Pu 239.

Из теории, достаточно хорошо описывающей свойства ядер, следовало, что плутоний должен так же хорошо делиться, как и U 235. Опыты по бомбардировке крошечных образцов на циклотроне подтвердили это. Таким образом, возможен новый материал для бомбы, причем гораздо более просто получаемый. Плутоний отличается по своим химическим свойствам от урана, поэтому его можно отделять химическим способом.

Это был новый элемент, ранее неизвестный, получаемый в ничтожном количестве на циклотроне: зачастую всего лишь несколько атомов. Нельзя ли получить его в большом количестве для изготовления бомбы? Когда нейтроны простреливают толстый блок естественного урана, они почти все поглощаются атомами U 238, рано или поздно давая плутоний. Но где взять громадное количество необходимых для этого нейтронов? От делящегося U 235.

При делении возникают очень быстрые нейтроны, которые скоро замедляются, сталкиваясь с окружающими ядрами. К сожалению, ядра U 238настолько сильно поглощают нейтроны промежуточной энергии , что для начала деления U 235и тем самым для поддержания потока нейтронов не осталось бы ни одного нейтрона. Медленные нейтроны , наоборот, легко поглощаются U 235, вызывая его деление. Так что задача состояла в том, чтобы замедлить нейтроны и не дать им всем успеть поглотиться в случае, когда они имеют промежуточную скорость. Тогда была предложена и опробована следующая схема, приведшая в конце концов к успеху.

Большие блоки урана (U 235и U 238в природной смеси) помещались в огромный реактор, заполненный каким-нибудь легким элементом, действовавшим как замедлитель . В замедлителе нейтроны тормозились, не поглощаясь, благодаря (редким) упругим столкновениям с его ядрами, в каждом из которых терялась малая доля их энергии. Вода была бы идеальным замедлителем, если бы входящий в ее состав водород не имел тенденции захватывать нейтроны, превращаясь в «тяжелый водород» — дейтерий. Сам дейтерий тяжелой воды тоже был бы хорошим замедлителем, но отделение тяжелой воды от обычной стоит дорого. Довольно хорошим замедлителем является чистый углерод, ядра которого только в 12 раз тяжелее нейтрона. (В лобовом соударении нейтрон теряет 15 % своей кинетической энергии.) Вылетевшие при делении U 235нейтроны блуждают по урану и замедлителю до тех пор, пока они не замедлятся до скоростей молекул газа, находящегося при комнатной температуре, т. е. до «тепловых энергий», составляющих примерно 1/ 30эв. Тогда с большей вероятностью они поглощаются U 235(и вызывают новое деление), чем U 238. Атомов U 238гораздо больше, но они захватывают нейтроны промежуточных скоростей и очень слабо — медленные нейтроны.

Фиг. 161. Получение плутония.

а— уран и нейтроны. Время от времени быстрый нейтрон захватывается ядром U 238, причем последнее становится более тяжелым ядром урана. Это ядро нестабильно (радиоактивно), оно излучает β -лучи. Так как такое ядро урана перенасыщено нейтронами, оно заставляет один из его нейтронов превратиться в протон, причем возникающий + заряд компенсируется — зарядом, уносимым β -лучом. Новое ядро имеет заряд +93 е , т. е. оно является ядром нового элемента, на одну клетку отстоящего от урана в периодической системе элементов. Этот элемент называется нептунием; б— ядро атома нептуния нестабильно. Оно излучает β -лучи, превращаясь в ядро плутония. Плутоний от урана можно отделить химическим путем; в— плутоний, как и U 235, является делящимся материалом. Кроме того, он нестабилен, так же как уран или радий, и, излучая α -частицу, превращается в U 235.