Главные трудности

Ядра атомов природного урана не одинаковы. Различаются три его изотопа с атомными массами 234, 235 и 238. Ядер урана-238 в природной смеси изотопов больше всего - 99,3 % от общего количества ядер. Урана-235 значительно меньше -0,7%. И всего одно ядро урана-234 приходится на 17 000 ядер урана-238, поэтому обычно о нем и не упоминают.

Под воздействием нейтронов делятся ядра урана-235, ядра урана-238 гораздо устойчивее и почти не делятся, а захватывают попадающие в них нейтроны. А так как ядер урана-238 в 140 раз больше, чем ядер урана-235, то практически все вылетающие при делении урана-235 нейтроны поглощаются ураном-238, поэтому цепной реакции деления ядер в природном уране не возникает.

Однако это препятствие удалось преодолеть. При изучении процессов деления урана было обнаружено, что не всякий нейтрон, проникающий в ядро урана, вызывает деление этого ядра. Большая часть нейтронов пронизывает ядра, не вызывая деления. Оказывается, что чем меньше скорость нейтрона, попадающего в ядро, чем меньше его кинетическая энергия, тем больше вероятность деления ядра. Легче всего деление ядер урана-235 происходит под воздействием медленных (так называемых тепловых) нейтронов, скорость которых близка к скорости теплового движения атомов. Тепловые нейтроны имеют энергию 0,025 эВ, У каждого нейтрона, вылетающего при делении ядра урана-235, энергия в среднем около 2 МэВ, т. е. это быстрый нейтрон. Значит, для того чтобы осуществить цепную реакцию деления ядер урана-235 на естественном уране, нужно каким-то способом замедлить быстрые нейтроны до тепловых скоростей, причем так, чтобы в процессе замедления нейтроны не терялись. Для замедления нейтронов используется их свойство упруго рассеиваться при столкновении с ядрами атомов ряда веществ, которые называют замедлителями. Подобно тому как при столкновении двух упругих шариков происходит частичная передача энергии от одного к другому, при упругом рассеянии происходит передача энергии от нейтрона к ядру атома замедлителя. И после ряда упругих соударений энергия нейтрона становится тепловой.

Такое количество энергии выделяется при делении ядра атома урана-235 и уносится различными видами излучений.

Было очевидно, что в качестве замедлителей выгодно использовать вещества с малой атомной массой. Ведь чем тяжелее неподвижный шарик, в который ударяется шарик движущийся, тем меньшую долю своей энергии он передает неподвижному шарику. А при равенстве масс шариков движущийся передает неподвижному всю энергию, а сам останавливается.

Вот что получится, если разделить природный уран на изотопы.

Самые легкие атомные ядра - ядра водорода. Однако водород довольно сильно поглощает тепловые нейтроны и поэтому не может использоваться для осуществления цепной реакции на природном уране. Только дейтерий (в виде тяжелой воды), углерод (в виде графита) и бериллий могут быть использованы как замедлители. Казалось бы, успех близок, хороший замедлитель найден. Но на пути к цели природа поставила еще одно препятствие. Мы уже знаем, что природный уран в основном состоит из атомов урана-238. Оказалось, что ядра урана-238 жадно захватывают нейтроны с энергией от 1000 до 5 эВ, а все появившиеся в результате деления ядер урана быстрые нейтроны в процессе замедления до тепловых скоростей должны пройти через эту область энергии, которую назвали областью резонансного захвата. Значит, замедляясь, нейтроны, захваченные ядрами урана-238, должны теряться.

Так возникает цепная реакция на тепловых нейтронах в природном уране.

Эту трудность тоже удалось преодолеть. Уран решили не смешивать с замедлителем, а распределять его в среде замедлителя в виде отдельных блоков (шаров или стержней) на таком расстоянии друг от друга, чтобы быстрые нейтроны, вылетевшие из урана, замедлялись до энергий ниже опасных энергий резонансного захвата раньше, чем могли снова попасть в уран. Движение нейтронов в такой "решетке" из урана и замедлителя показано на рисунке (стр. 301, слева). Такое неравномерное расположение урана в замедлителе принято называть гетерогенным, а равномерное (в виде смеси или, раствора) -гомогенным.

И еще одно условие: уран и графит (или другой материал, используемый в качестве замедлителя) должны быть очень чистыми. Особенно важно, чтобы содержание в них веществ, интенсивно поглощающих тепловые нейтроны (бора, кадмия и ряда редкоземельных элементов), было ничтожно малым. Материалов такой чистоты до создания атомных реакторов нигде в мире не производилось. Потребовалась долгая и упорная работа, чтобы научиться делать материалы нужного качества.

перейти к началу страницы