Чтение онлайн

Кроме того, могут быть нейтроны космического происхождения. Из далеких миров, из Галактики к нам приходят космические частицы, представляющие собой ядра легких элементов, обладающие колоссальной энергией. Эти частицы, сталкиваясь с ядрами различных веществ, производят ядерные реакции, в которых иногда образуются нейтроны. Эти нейтроны тоже могут быть начальными при развитии цепного процесса. Не исключено также деление ядер урана непосредственно теми же космическими частицами.

Итак, в большом куске урана всегда найдется несколько блуждающих нейтронов, которых вполне достаточно для начала цепного процесса. Как только вес куска урана превысит критический, в нем мгновенно произойдет атомный взрыв.

«Горение» урана. Мы уже знаем, как получают атомную энергию из урана235. Но этого недостаточно. Надо научиться управлять процессом выделения энергии. Ведь эта энергия получается в форме взрыва. Цепной процесс идет очень быстро до тех пор, пока не распадется весь расщепляющийся материал или пока этот материал не разлетится под действием атомного взрыва.

Следовательно, нужно научиться осуществлять медленное «горение» урана.

Казалось бы, управлять цепным процессом не так трудно.

Предположим, что мы сумеем изменять и поглощение нейтронов и выход их через поверхность урана, то есть изменять величину коэффициентов р и f.

Для начала цепного процесса мы должны увеличить р или f до тех значений, при которых коэффициент размножения K становится больше единицы. Число нейтронов, а следовательно, и число реакций деления, будет непрерывно возрастать. После того как количество выделяющейся энергии станет достаточно велико и мощность установки возрастет до необходимых значений, коэффициент размножения можно уменьшить до единицы. При этом число нейтронов, а следовательно, и мощность установки останется на прежнем уровне. Изменять же коэффициент размножения можно, и позже мы покажем, как это делается.

Но скорость нейтронов слишком велика, чтобы можно было достаточно надежно управлять процессом. Мы уже видели, что при коэффициенте размножения, равном двум, цепной процесс длится миллионные доли секунды. Поэтому, казалось бы, как только значение коэффициента превзойдет единицу, управление процессом станет невозможным: слишком быстро будет нарастать число нейтронов, участвующих в делении урана. Даже если нам и удастся держать значение коэффициента размножения близким к единице, не может быть гарантии, что при внезапном изменении режима процесс может либо совсем затухнуть, либо перейти в атомный взрыв.

К счастью, есть одно обстоятельство, которое облегчает управление цепным процессом в уране. Исследования показали, что при делении ядра урана не все нейтроны выделяются одновременно. Часть нейтронов (около одного процента) выбрасывается «осколками» деления с довольно большим запозданием, достигающим 60–80 секунд. Эти так называемые запаздывающие нейтроны позволяют в некоторых случаях сильно замедлять развитие цепного процесса.

Предположим, что мы довели значение коэффициента размножения до единицы. Это значит, что потеря нейтронов полностью восполняется вновь образованными при делении ядер. В этом случае цепной процесс осуществляется за счет запаздывающих нейтронов, так как без них коэффициент размножения был бы равен приблизительно 0,99.

Если мы теперь увеличим коэффициент размножения до 1,01, то это увеличение произойдет не сразу. Та часть его, которая определяется мгновенно вылетающими нейтронами, быстро поднимется до единицы. Запаздывающие же нейтроны увеличат значение коэффициента размножения только через одну — полторы минуты. И только после этого будет развиваться цепной процесс.

Таким образом, изменяя коэффициент размножения вблизи значения единицы, мы можем постепенно ускорять или замедлять развитие цепного процесса, то есть управлять скоростью выделения атомной энергии, получающейся при делении урана.

Простейший ядерный реактор. Аппарат, в котором осуществляется управляемый цепной процесс деления, называется ядерным реактором.

Принцип действия ядерного реактора очень прост (рис. 15). Можно взять, например, кусок урана в виде полого короткого цилиндра с таким расчетом, чтобы его вес был близок к критическому. В этом случае коэффициент размножения будет близок к единице. Если постепенно вдвигать в полость цилиндра урановый стержень, то вследствие уменьшения утечки нейтронов через полость коэффициент размножения будет расти и при определенном положении стержня он может стать несколько больше единицы. Нужно только помнить, что коэффициент размножения не должен превышать 1,01, так как при больших его значениях ядерный процесс будет определяться мгновенно вылетающими нейтронами, реактор может выйти из управления и произойдет атомный взрыв. При коэффициенте размножения больше единицы начнет развиваться цепная реакция и возрастать количество выделяющейся энергии. При достижении нужной мощности, изменяя положение уранового стержня, можно добиться такого состояния, при котором коэффициент размножения будет равен единице. Тогда в ядерном реакторе будет выделяться постоянная во времени атомная энергия. Урановый цилиндр будет нагреваться, и выделяющееся в такой атомной «печи» тепло может быть использовано для различных целей.

Рис. 15. Схема простейшего ядерного реактора. При определенном положении регулирующего стержня коэффициент размножения становится больше единицы. Цепной процесс развивается

Однако, как мы уже говорили, для осуществления такого рода цепного процесса необходимо из ядерного горючего реактора удалить значительную часть урана288. Движущиеся нейтроны сталкиваются с его ядрами и, постепенно теряя свою скорость, в конце концов поглощаются ими.

Медленные нейтроны. Цепной процесс может возникнуть и в природном уране, но на медленных нейтронах.

Что же такое медленные нейтроны?

Молекулы различных газов находятся в непрерывном хаотическом движении. Скорость этого движения зависит от температуры. Но даже при нормальной температуре она довольно велика. Например, молекулы кислорода или азота, из которых состоит воздух, двигаются хаотически в различных направлениях со скоростями порядка 500–600 метров в секунду. Такие скорости называются тепловыми скоростями, а нейтроны, обладающие такими скоростями, — тепловыми, или медленными, нейтронами. Медленные нейтроны легко захватываются ядрами урана235 и с колоссальной активностью производят их деление.

Очень существенным является также то, что эти тепловые нейтроны относительно слабо поглощаются ядрами урана238. Поэтому на медленных нейтронах цепной процесс может идти и в природном уране. Замедляются нейтроны довольно просто, примерно так же, как бильярдные шары, ударяющиеся друг о друга. Если движущийся шар ударится о неподвижный, то он всегда теряет часть своей энергии. Иногда при так называемом лобовом ударе движущийся шар потеряет всю свою энергию. Он остановится, а пойдет вперед шар, бывший ранее неподвижным. Но большей частью при косом ударе оба шара будут двигаться с меньшей скоростью. Законы механики говорят нам, что наибольшая потеря энергии будет при столкновении с шаром равной массы. В среднем в каждом таком столкновении шар будет терять половину своей энергии.

Так же как и бильярдные шары, замедляются и нейтроны при столкновении с легкими ядрами. После ряда столкновений нейтроны растрачивают свою энергию, и их скорость становится тепловой, соответствующей скорости молекул замедлителя, то есть вещества, замедляющего нейтроны. В качестве замедлителя можно взять, например, простую воду, содержащую легкие ядра водорода, масса которых примерно равна массе нейтрона. Однако эти ядра не только замедляют движение нейтрона, но и легко их поглощают. А это невыгодно. Поэтому в большинстве случаев в качестве замедлителя используется не простая, а тяжелая вода, в которой легкий водород заменен тяжелым изотопом — дейтерием, слабо поглощающим нейтроны. Хорошим замедлителем является также графит (модификация углерода). Замедление нейтронов в графите идет медленнее, чем в тяжелой воде. Ядра углерода тяжелее ядер дейтерия, и нейтрон при столкновении теряет меньшую часть своей скорости. Но ядра углерода, так же как и ядра дейтерия, почти не поглощают нейтронов.