Проблемы энергетики (ядерные и термоядерные реакторы)

Деление ядер урана

Нейтрон - это ключ, который открыл путь к использованию запасов внутриядерной энергии. Теперь мы знаем о нем много: он не заряда, его масса немного превышает массу протона, а все атомные ядра представляют собой плотное упаковки из смеси протонов и нейтронов. Чедвик, сотрудник лаборатории Э. Резерфорда, сразу же после открытия нейтрона в 1932 году выдвинул гипотезу о протонно-нейтронную структуру ядра. Эта гипотеза вполне себя подтвердила и ни разу не подверглась сомнению.

Первым, кто сразу же понял, что нейтрон - это идеальное средство для исследования ядерных реакций, был великий итальянский физик Энрико Ферми. Главное отличие и преимущество нейтрона - его электронейтральность, что позволяет ему беспрепятственно проникать в ядра любых даже самых тяжелых элементов.

Э. Ферми больше известный как теоретик, однако Нобелевскую премию он получил за работы по экспериментальной физике. Любая из научных специализаций была для него слишком узкие, он был натуралистом в точном и широком смысле этого слова. Такая универсальность - качество для XX века чрезвычайно редкая - оказалась крайне необходимой для решения проблемы атомной энергии, где каждый шаг был шагом в неизвестное.

Летом 1934 года группа молодых итальянских физиков (старшему - Э. Ферми - было всего 33 года) восторженно экспериментировала: они облучали нейтронами различные элементы и наблюдали, что происходит. Идея их опытов заключалась в получении искусственных изотопов. Действительно, когда нейтрон поглощается каким-либо ядром, оно превращается в изотоп того же элемента, в свою очередь стремится избавиться от лишнего нейтрона. Самый простой путь - превратить нейтрон в протон, освободив при этом электрон. Когда происходит такой р распад, образуется ядро нового элемента, который должен заряд и массу на одну единицу больше, чем у исходного ядра. За короткий период "команда Ферми" озарила 68 элементов и синтезировала почти полсотни новых изотопов.

Но главное открытие ждало них 22 октября 1934: нейтроны в сотни раз эффективнее захватываются ядрами, если на пути нейтронов установить кусок парафина или опустить мишень под воду. Удивление ученых не проходил до 2:00 - до тех пор, пока Ферми с присущей ему элегантностью НЕ очертил контуры нового физического явления. Суть его очень проста: молекулы воды Н20 состоят из водорода и кислорода, а масса нейтрона практически равна массе протона. Поэтому при столкновении нейтрона с ядрами водорода он быстро замедляется - в десятки раз быстрее, чем при столкновениях с тяжелыми ядрами, - а после этого легко вступает в ядерные реакции.

Удивление обычно является следствием столкновения неожиданных факторов с инерцией мышления. За многие годы физики привыкли к мысли, что ядро - это хоть и не подвластно ощущением, но что-то очень крепкое, чтобы его изменить, необходимо как можно сильнее разогнать снаряд - пусть это будет протон или а-частица. С этой целью было даже изобретено ускорители. А для нейтрона все оказалось наоборот: чем медленнее он двигался, тем легче ядра поглощали его. На открытие ядерных реакций, обусловленных медленными нейтронами, ждало большое будущее без него нельзя было бы запустить ядерный реактор. В 1938 году Энрико Ферми был удостоен Нобелевской премии «За открытие искусственной радиоактивности, вызванной бомбардировкой медленными нейтронами".

Среди большого количества элементов, которые Э. Ферми со своими сотрудниками облучали медленными нейтронами в то лето 1934 года, был и уран, занимавший тогда последнее место в таблице Д. И. Менделеева. Заряд его равна 92, поэтому если ядро урана захватит нейтрон с последующим излучением электрона, то его заряд увеличится на единицу, а уран превратится в следующий за ураном "трансурановых элемент" с номером 93.3 опытов Ферми такой вывод следовал настолько естественно, что он сразу же стал научной сенсацией и достоянием газет. Многие из ралиохимикив начали поиск "трансурановых" элементов.

Немецкие радиохимики Отто Ган и Фриц Штрассман в 1937 году повторили опыты Фермы с облучения урана нейтронами. Детальный химический анализ продуктов, образовавшихся после облучения урана, поставил их в тупик: было зафиксировано барий, лантан, церий - элементы, находящиеся в средней части "таблицы Менделеева! Нам трудно понять сейчас их недоумение: уже в школе мы узнаем, что ядро урана испытывает разделения, и не видим в этом ничего удивительного. Попробуем, однако, взглянуть на это явление глазами первооткрывателей и, если не понять, то хотя бы почувствовать корень их сомнений. Прежде всего, они - химики, и химический элемент для них - некая чрезвычайно устойчивая индивидуальность, которая остается невредимой, пройдя через жар и холод, бесконечные растворения, кристаллизации и бурные химические реакции. Только недавно они с большим трудом, привыкли к тому, что иногда, в процессе радиоактивного распада ядер, один элемент может превратиться в другой. Но больше всего, чего можно было бы в этом случае добиться, - это передвинуть элемент в таблице Менделеева на одну, максимум на две клетки. Но порядковый номер бария - 56 - почти в два раза меньше, чем порядковый номер в рану 11 если поверить в то, что барий действительно образовался из урана, придется допустить, что элементы в таблице Менделеева можно перемещать, как угодно, - ни один химик смириться с этим не мог.

Содержание результатов, которые получили в Германии А. Ган и Ф. Штрассман, объяснили Лизе Мейтнер и ее племянник Отто Фриш: Гай и Штрассман наблюдали распад ядра урана вследствие захвата им нейтрона (чуть позже они, по предложению биолога В. Арнольда, ввели общепринятый теперь термин "деление ядра" - по аналогии с разделением клетки и, точно так же, как за четверть века до них Резерфорд ввел понятие «ядро атома» по аналогии с ядром клетки). Но, самое главное, они сразу поняли, что при таком разделении должна выделяться огромная энергия: при делении ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется энергия, которую можно получить при сжигаемого 3 тонн угля!

С этого момента события вошли в стремительный и крутой развитие, и счет времени пошел не на годы и месяцы, а на недели и дни. Уже через несколько недель явление деления ядра наблюдали десятки исследователей во многих лабораториях - от Нью-Йорка в Ленинград.

Обсуждая явление деления ядра урана, Энрико Ферми обратил внимание на то, что нейтроны, которые возникают при разделении, могут вызвать следующие акты деления, то есть в уране цепная реакция. Но никто не видел взрыва в результате облучения урана нейтронами. Н. Бор предположил, что это связано с тем, что ядра урана бывают двух видов: природный уран содержит, в основном, тяжелый изотоп (99,28%), а содержание легкого V235- незначительный и составляет только 0,72%. Медленные нейтроны вызывают деление только легкого изотопа, а тяжелый изотоп поглощает быстрые нейтроны, рождающиеся в процессе разделения, и цепная реакция обрывается.

Сразу же встал трех новых вопроса: Сколько нейтронов и с какой энергией вылетает из ядра урана-235 при каждом делении? Что происходит с ядрами изотопов ура-на-238 после захвата нейтрона? При каких условиях можно осуществить Продолжающийся цепную ядерную реакцию в уране?

Ответ на первый вопрос был получен через полтора месяца - в марте 1939 года во Франции (Жолио-Кюри), России (Флеров и Петржак), США (Ферми и Сцил-Лард) показали, что при каждом делении ядра урана-235 высвобождается 2 3 нейтроны со средней энергией 13 МэВ. Точное количество нейтронов деления (2,42), измеренное впоследствии, оставалось государственной тайной вплоть до 1950 года.

Пытаясь найти ответ на второй вопрос, установили, что разделение урана-235 наиболее эффективно происходит, если нейтроны замедлены до очень малых энергий - 0,04 эВ (такие энергии имеют частицы газа, если его температура составляет около 100 ° С, и поэтому такие нейтроны называются "тепловыми"). Наиболее эффективно уран-238 захватывает нейтроны, если их энергия составляет 6,8 эВ; при этом уран-238, поглощая нейтрон и высвобождая электрон (Р-распад), превращается в трансурановый элемент непту ней-239.

Таким образом, чтобы стала возможной цепная реакция, необходимо замедлитель нейтронов, который должен, во-первых, уменьшить их энергию в 10000000 раз - от 1 МэВ, с которым они высвобождаются в процессе деления ядра урана-235, к энергии 0,1 эВ и, во-вторых, осуществить это так быстро, чтобы нейтроны успели замедлиться до того, как столкнутся с ядром урана-238. Наконец, сам замедлитель не должен поглощать нейтроны.

Выбор материала для замедлителя оказался небогатым: углерод или тяжелая вода D20, то есть вода, в которой водород заменен его тяжелым изотопом дейтерием. Тяжелая вода лучше соответствует требованиям, но ее трудно добывать: в литре обычной воды содержится только 0,15 г тяжелой. Из двух возможностей Жолио-Кюри (Франция) и Гейзенберг (Германия) выбрали тяжелую воду, а Ферми (США) и Курчатов (СССР) остановились на граффити.

Способ снижения потерь нейтронов при их захвате ураном-238 реализуется в гетерогенной реакторе. Суть идеи проста и заключается в том, что вместо того, чтобы перемешивать равномерно уран и замедлитель, нужно разместить блоки урана в пространстве на некотором расстоянии друг от друга, вроде атомов в кристаллической решетке, а затем заполнить этот объем замедлителем. В этом случае нейтроны деления, вылетая из блоков урана с энергией 1,3 МэВ, большую часть пути будут проходить в замедлители и в то время, когда они достигнут другого блока урана, уже пройдут опасную область энергий (в советской урановой программе это явление было названо "блок-эффектом»).

Путь к созданию ядерного реактора был открыт.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >