Critical Size

When a single fission process occurs inside a given sample of pure U²³⁵ or Pu²³⁹, several fission neutrons are ejected from the point where the nuclear breakup took place. The average distance a fission neutron must travel through the material in order to run into another nucleus is about 10 cm so that if the size of the sample in question is less than that, most of the fission neutrons will cross the surface of the sample and fly away before they have a chance to cause another fission and produce more neutrons. Thus, no progressive chain reaction can develop if the sample of fissionable material is too small. Going to larger and larger samples, we find that more fission neutrons produced in the interior have a chance to produce another fission by colliding with a nucleus before they escape through the surface, and for samples of a very large size only a small fraction of the neutrons produced in them has a chance to reach the surface before colliding with one of the nuclei. The size of the sample of a given fissionable material for which the percentage of neutrons giving rise to subsequent fission processes is high enough to secure a progressive reaction is known as the critical size for that particular material. Since the number of neutrons per fission is larger in the case of plutonium than in the case of uranium-235, the critical size of plutonium samples is smaller than that of uranium-235 samples because the former (13) can afford larger losses of neutrons through its surface.

1) Не имело бы большого значения;

2) разжечь костёр;

3) даже если дерево насквозь пропиталось водой;

4) самоподдерживающаяся цепная реакция;

5) выдержал суровое испытание;

6) наличие неактивного U²³⁸;

7) за исключением демонстрации чисто научного принципа;

8) претерпели последовательные преобразования;

9) приводя к образованию элементов;

10) заставил гореть ценой огромных расходов;

11) буквально была спущена в дренажную трубу;

12) ценой гораздо меньших усилий, чем требуется для…;

13) может позволить бóльшие потери

Реактор э. Ферми и плутоний

Хороший турист, как предполагается, в состоянии развести походный костёр, даже если дерево насквозь пропиталось водой. Эта роль хорошего пешего туриста в проекте ядерной энергии была сыграна итало-американским физиком, Энрико Ферми, который действительно заставил “гореть” "влажные" урановые дрова. Он смог сделать это, используя упомянутый выше факт, что эффективность нейтронов деления вызывать расщепление ядер U²³⁵ возрастает весьма значительно, когда они замедлены. Если бы такое замедление нейтронов деления могло быть достигнуто, присутствие инертного U²³⁸ не имело бы большого значения. Чтобы замедлить исходные нейтроны деления, было необходимо смешать природный уран с большим количеством углерода в виде графита. Большой "реактор" из графитовых кирпичей с небольшими вкраплениями природного урана, включённого в структуру, был построен в большой тайне под трибуной Стадиона Чикагского университета, и 2 декабря 1941 г. профессор Комптон телеграфировал Доктору Бушу в Вашингтон, округ Колумбия: "Итальянский мореплаватель высадился на берег. Аборигены дружелюбны”. На секретном языке манхэттенского Проекта это означало: "Реактор Ферми работает успешно. Ядерная цепная реакция получена".

В реакторе Ферми цепная реакция расщепления могла поддерживаться в природном уране, однако естественный уран был настолько высоко растворён углеродом, что высокая производительность в выработке энергии не могла быть достигнута. Вследствие присутствия неактивного U²³⁸, цепная реакция в реакторе не могла, вероятно, перерасти в эффективный взрыв, и при этом он не мог быть использован в качестве источника энергии.

Так чем же был хорош реактор Ферми, кроме демонстрации чисто научного принципа о возможности самоподдерживающейся ядерной реакции? Конечно, демонстрация чисто научного принципа всегда имеет очень большую важность, но реактор Ферми был построен за большой счёт посреди опасной войны, когда все расходы предполагалось оценивать на основе их военной пригодности.

Реактор Ферми выдержал это суровое испытание. Хотя энергия, высвобождаемая при расщеп­лении ядер U²³⁵, не могла быть использована и была буквально послана коту под хвост посредством водяной системы охлаждения, новый способный к ядерному делению элемент был произведён внутри реактора во время работы. Нейтроны, не использовавшиеся в поддержании цепной реакции в ядрах U²³⁵, были захвачены ядрами U²³⁸, произведя более тяжелый изотоп:

Имея избыток нейтронов, ядра ₉₂U²³⁹ подвергались двум последовательным β-распадам, приводя к образованию элементов с атомными числами 93 и 94. Этим двум элементам, которые не существуют в природе, но были получены искусственно человеческим гением, дали названия нептуний и плутоний. Реакции, сопровождающие нейтронный захват ураном-238, могут быть записаны:

Будучи химически отличным от урана, плутоний, произведённый в реакторе Ферми, может быть отделён и очищен с намного меньшим усилием, чем это необходимо для отделения лёгкого изотопа урана от тяжёлого, и этот элемент, как оказалось, был даже более способен к ядерному делению, чем U²³⁵. Фактически, несмотря на то, что U²³⁵ даёт начало 2.5 нейтронам деления, соответствующий показатель для Pu²³⁹ – 2.9 нейтрона деления.