Landsberg-1985-T3

испущенные при делении уранового ядра (так называ­

емые вторичные нейтроны деления), способны вызывать деление новых ядер урана. Благодаря этому можно осуществить цепную реакцию деления: однажды возник­

нув, реакция в принципе может продолжаться сюла

Рис. 403. Фотография следов осколков деления урана в камере Вильсо­ на: осколки (О) разлетаlOТСЯ в противоположные стороны из тонкого

С,10Я урана, нанесенного на пластинке, перегораживающей Ka~!epy.

На снимке ВИДНО также множество более тонких следов, принадлежа­

щих протонам, выбитым нейтронами из молекул водяного пара, содер-

жащегося в камере

собой, охватьш.ая все большее чис.r!О ядер. Схема развития такой нарастающей цепной реакции изображена на рис. 404.

Осуществление цепной реакции деления на практике

не просто; опыт показывает, что в массе природного урана

цепная реакция не возникает. Причина этого кроется в по­ тере вторичных нейтронов; в природном уране БОльшая часть нейтронов выходит из игры, не вызывая делений. Как выяви­

ли исследования, потеря нейтронов происходит в наиболее

распространенном изотопе урана - уране-238 (2:~U). Этот

изотоп легко поглощает нейтроны по реакции, подобной

реакции серебра с нейтронами (см. § 222); при этом обра­ зуется искусственно-радиоактивный изотоп 2:~И. Делится

же 238И с трудом И только под действием быстрых нейтронов.

564

Более удачными для цепной реакции свойствами обла­

дает изотоп 2a~u, который содержится в природном уране в

количестве 0,7%. Он делится под действи~м нейтронов

л ю б о й энергии - быстрых и медленных и тем лучше,

чем меньше энергия нейтронов. Конкурирующий с делением

Jlахааllое

iJеле1(l1е

'/-8 ЛОlrоленuе:

2 iJвленця

2-8 поколение:

4iJеленця

'О-е ПОkOленЦе:

8 iJеленцц

4-е поколенце:

1tJ {Jеленuu

Рис. 404. Развитие цепной реакции деления: условно принято, что при делении ядра испускаются два] нейтрона и потерь нейтронов нет, т. е. каждый нейтрон вызывает новое деление; кружочки - осколки деления, стрелки - нейтроны деления

процесс - простое поглощение нейтронов - мало вероятен

в 235U в отличие от 238U. Поэтому В чистом уране-235 воз­

можна цепная реакция деления при у с л о в и и, одна­

ко, ч т о м а с с а у р а н а-235 д о с т а т о ч н о в е­

л и к а. В уране малой массы реакция деления обрывает­ ся из-за вылета вторичных нейтронов за пределы его ве­

щества.

В самом деле, ввиду крошечных размеров атомных ядер

нейтрон проходит в веществе значительный путь (измеряе­ мый сантиметрами), прежде чем случайно натолкнется на ядро. Если размеры тела малы, то вероятность столкнове­

ния на пути до выхода наружу мала. Почти все вторичные нейтроны деления вылетают через поверхность тела, не

вызывая новых делений, т. е. не продолжая реакции.

Из тела больших размеров вылетают наружу главным

образом нейтроны, образовавшиеся в поверхностном слое.

565

Нейтроны. образовавшиеся внутри тела. имеют перед собой достаточную толщу урана и в большинстве своем вызывают

новые деления. продолжая реакцию (рис. 405). Чем больше масса ypaHll. тем меньшую долю объема составляет поверх­ ностный слой *). из которого теряется много нейтронов. и

тем благоприятнее условия для развития цепной реакции.

n)

HeumpOHCl !} 235U mд путь

ПРОйдя котары!} 'нейтрон

сталкцВается с яiJ{Jом

урана) tЗЫiЗы6ClЯ Оеленl.!&

Рис. 405. Развитие цепной реакции деления в 230U. а) в малой массе 23SU

большинство нейтронов деления вылетает наружу. б) В большой массе

урана многие нейтроны деления вЬ!зываlот деления новых ядер; число делений возрастает от поколения к nоколению. Кружочки - осколки деления, стрелки - нейтроны де.~еНIIЯ

Увеличивая постепенно количество 23~U, мы достигнем

критической АШССЫ. т. е. наименьшей массы. начиная с ко­

Т а н н ы е Д е л е н и я). При уменьшении массы 235U ниже

критической реакция затухает.

Итак. можно о с у Щ е с т в и т ь цеп н у юре а к­

Ц и ю Д е л е н и я, е с л и р а с п о л а г а т ь Д о с т а­

Как мы видели в § 202. разделеНlIе изотопов представ­

ляет собой хотя сложную и дорогую. но все же выполнимую

операцию. И действительно, извлечение 23~U из природного урана явилось одним из тех способов. при помощи кото­

рых цепная реакция деления была осуществлена на прак­

тике.

*) Поверхность шара пропорциональна квадрату, а объем - кубу

его радиуса. Поэтому при увеличении радиуса шара объем его растет быстрее, чем поверхность.

566

Наряду с этим цепная реакция была доСтигнута и дрvгим

способом, не требующим разделения изотопов урана. 'Этот способ несколько более сложен в принципе, но зато более

нейтроны поглощаются главным образом изотопом 238U. Так как поглощение в 238U не приводит к делению, то реак­

ция обрывается. Как показывают измерения, при замедле­ НЕИ нейтронов до тепловых скоростей ПОглощающая спо­ собность 2З~U в о З р а с т а е т с И л ь н е е поглощающей

способности 2зви. Поглощение нейтронов изотопом 235И,

ведущее к делению, получает перевес. Поэтому, если за.мед­

лить нейтроны деления, не дав им nоглотumься в 238U,

u,enная реакция станет воз­

.ножноЙ tl С nриродНblЛt ура­

HO~H.

На практике такого ре­

зультата добиваются, помещая

тонкие стержни из при р о д­

урана. Так как стержень сравнительно тонкий, то быстрые

вторичные нейтроны вылетят почти все в замедлитель.

Стержни расположены в решетке довольно редко. Вылетев­ ший нейтрон до попадания в новый стержень испытывает

много соудареннй с ядрами замедлителя и замедляется до

скорости теплового движения (рис. 407). Попав затЕ':\! в ура­ новый стержень, нейтрон поглотится скорее всего Б щU

Ивызовет новое деление, продолжая тем самым реак­

цию. Цепная реакция деления была впервые осуществлена в США в 1942 г. группой ученых под руководством ита,1Ь­ янского физика Энрико Ферми (1901-1954) в сис­

теме с природным ураном. Независимо этот процесс

567

Уран

:Зс(Неflлцmель

ЗцмеiJЛlltлеЛ6

Ургщ

Рис. 407. Развитие 1\СПНОЙ реаКЦИl1 деления в системе из природного урана и замедлителя. Быстрый HciiTPOH, вылетев из тонкого стержня, попадает в замедлите,1Ь и замедmrетсн. Попав снова в уран, замедлен­ ный нейтрон ·скорее всего Поглощается в :]ouU, вызывая деление (обо­ значение: два свеТ,1ЫХ кружка). Некоторые нейтроны ,поглощаются

в 238U, не вызывая деления (uбозначение: черный КРУЖОК)

был реализован в СССР в 1946 г. академиком Игорем Ва­

сильевичем Курчатовым (1903-1960) с сотрудниками.

§ 228. Применения незатухающей цепной реакции деления. Атомная и водородная бомбы. Цепная реакция деления по­

зволяет расщеплять уран в значительных количествах. Этот

процесс сопровождается обильным выделением энергии. В зависимости от условий цепная реакция представляет собой либо спокойный, поддающийся регулировке процесс, либо

ция нарастает медленно. По достижеНlШ нужной мощности нарастание реакции можно Jlрекратить. Для этого достаточ­ но уменьшить :>'1ассу системы до критической величины. Реакцию можно в любой момент погаСIIТЬ, уменьшив массу ниже критической *). Таким образом, цепная реакция

полностью поддается контролю.

Иначе обстоит дело, если :>.1асса системы з н а ч и т е л ь­

н о п р е в ы ш а е т критическую. В этом случае реакция

*) Практически используемый способ регулировки реакции состо­

ит во введении (или выведении) неделящихся веществ, сильно поглощгю­

щих нейтроны,

568

нарастает со скоростью взрыва. После того как реакция

началась, она выходит из-под контроля; бурное выделение

энергии приводит к разрушению системы.

Особенно быстро развивается реакция в чистом 2З:;U,

так как она вызывается здесь быстрыми (незамедленными)

нейтронами. Поэтому 23?U в количестве, заметно превышаю­

щем критическую массу, представляет сильнейшее взрывча­

тое вещество, используемое для так называемой аmО;11НОЙ

БО;11Бbt. Чтобы атомная бомба не взрывалась при хранении,

можно разделить ее урановый заряд на несколько удален­

ных друг от друга частей с массой, меньшей критической.

Для ПРОlIзводства взрыва необходимо эти части быстро

сблизить.

ПО энергии взрыва урановый заряд в сотни тысяч раз

превосходит обычные взрывчатые вещества, взятые в том

же количестве.

Б момент взрыва температура в атомной бомбе подни­ мается до миллионов градусов. Бвиду этого взрыв атомной

бомбы, если он происходит в подходящей среде, может вы­ звать вспышку термоядерной реакции (см. § 226). К числу

веществ, обладающих наиболее благоприятными свойства­

ми для развития термоядерной реакции, относятся тяжелый

водород (дейтерий 2D), сверхтяжелый водород (тритий ЗТ),

литий и др. Б смеси этих веществ могут идти, например,

следующие ядерные реакции:

D -+- Т -+ ~He+n+ 17,5 МэБ,

D + D -+ Т +р + 4,0 МэБ,

~Li + n --+ ~He + Т + 4,8 МэБ,

~Li+ D-+1Li-t-р+5,Q МэБ и т. д.

Система из атомной бомбы и вещества, в котором при ее

взрыве возникает мощная термоядерная реакция, ПОЛУЧ!IЛа

название mер,иоядерной или водородной бомбы. Сила взрыва

водородной бомбы в сотни раз превосходит силу взрыва

жание преждевременного взрыва. Для количества же

«взрывчатки» водородной бомбы такого ограничения нет,

так как дейтерий, тритий, их смесь и т. п. сами собой взо­

рваться не могут.

Б отличие от реакции деления до настоящего времени еще не осуществлено использование термоядерной реакции

для практического получения тепловой и электрической

569

энергии. Однако интенсивные исследования в этом направ-'

леЮ!!l ведутся в СССР 11, в других странах. Применение тер­ моядерной реакции для получения энергии представляет

огромный интерес, так как запасы сырья для этой реакции

огромны (дейтерий в составе воды в океанах!), тогда как

запасы урана ограничены.

Для возбуждения тер:\юяпе!'ной реакции ядерное «горючее» долж­

вплаЮ1У нужно удерживать от расширения, т. е. надо ограни­

чить свободу движения частиц

плазмы - ионов и электронов.

Таым, а также некоторые зарубежные ученые предложили использовать д.'IЯ удержания плазмы сильные магнитные поля. Как мы Знае:V1 (§ 198), в

однородном магнитном поле заряженная частица, начальная скорость

которой перпендикулярна к индукции магнитного поля, движется по

окружности в плоскости, перпендику.1ЯРНОЙ к направлению поля.

Если начальная скорость паралле.%на ;\Iагнитному полю, частица дви­

жется свободно (по инерции) вдоль линии магнитного поля, так как в этом случае сила Лоренца равна нулю. В общем случае, когда началь­

ная скорость направлена произвольно, имеет место сложение пря~юли­

нейного и кругового движений - частица описывает винтовую траекто­ рию, навивающуюся на линию магнитного поля (рис. 408, а). Такой ха­

рактер движения сохраняется и в неоднородном магнитном поле, если

на расстоянии порядка шага «винта» направление магнитной индукции поля изменяется незначительно (рис. 408, 6). Частица оказывается как

бы при вязанной к линии поля - она удерживается на постоянном рас­

стоянии от нее, равном радиусу спирали. Радиус спирали прямо пропор­ ционален скорости частицы *) и обратно пропорционален магнитной ин­ дукции В (см. § 198); увеличивая В, можно сделать радиус спираЛll как

угодно малым.

В реальной плазме на движенпе частиц влияют соударения между ними и внутренние электрические и магнитные поля плазмы (они всегда имеются, так как плазма состоит из заряженных частиц). Ввиду этого

*) Точнее, составляющей скорости, перпендикулярной к магнитно­

му полю_

570

рассмотрение действия внешнего магнитного поля на движение частиц

плазмы оказывается очень сложным. Основная собенность, однако, ос.

тается - магнитное поле, искривляя траектории частrщ, очень сильно

затрудняет их движение в направлении, перпеНДИl<УЛЯРНЩI к .~ИIшям

внешнего магнитного ПОJIЯ. Эта особенность и ИСПользуется Д.1Я удер'

жания (изоляции) плазмы.

Магнитное поле ИСПо.lьзуется также н для нагрева плазмы: ПРИ из­

менении магнитной индукции возникает э. д. с. индукции. под деl"IсТlЗИ­

ем которOl"[ ионы И электроны ускоряются.

К настоящему временИ' физики научились нагревать плазму. прав­

да весьма разреженную, до температуры сто миллионов градусов и у,'\ср­

живать ее в таком состоянии в течение сотых долей секунды. Эти успехи

позволяют надеяться, что на описанном пути удастся в конечном счете

осуществить управляемую, а не взрывную. как в водородной бомбе. тер­

моядерную реакцию.

При взрыве атомной и водородной бомбы в добавление к эффектам, характерным для любого мощного взрыва, ис­

пускается еще много нейтронов и у-излучение, а также обра­

зуется большое количество радиоактивных веществ. Излу­ чения этих веществ делают район взрыва опасныи для жизни

еще в течение некоторого времени после взрыва. Радиоак­

тивные продукты взрыва разносятся потоками воздуха на

тысячи километров от места взрыва. Отметив с по:vющью счетчика излучений повышенную против обычного радиоак­

тивность воздуха, ~lОжно с достоверностью установить факт

взрыва ато:-[!]()й Исl!! водородной бомбы.

§ 229. Ядерные реакторы и их применения. Устройство,

вкотором происходит управляемая цепная реакция деле­

ния ядер, называется ядерным реактором. В качестве деля­ щегося вещества (ядерного топлива) применяют уран и плутоний (получаемый искусственно радиоактивный эле­ мент с порядковым номером Z =94).

Ядерные реакторы используются для выработки энер­

гии, для получения искусственных радиоактивных изотопов

(в том числе трансурановых элементов, т. е. элементов с Z>92) и как ИСТОЧНИКИ :>,\Ощных пучков нейтронов. PaCC:v10T-

рим эти применения.

1. Получение энергии. Осколки деления Т()Р:>.lOзятся в

уране на очень ыаЛ():>'l пути (менее 5 мкм). В!Зиду эт()го почти

ВСЯ энергия, ()св()б()ждаемая в реакторе, вьцеляется в виде

тепла в массе j·pa!Ia. Это тепло можно использовать, напри­

мер, для нагревания н испарения ЖИДКОСТН, О:'IЫвающей

уран, и затем через посредство турбины или другой тепло­ вой машины превратить его в механическую и далее в элек­ трическую энергию (рис. 409). Первая в мире атомная элек­ тростанция, основанная на таком принципе, была осуществ-

571

ТеI7ЛОоонеННUf(

Реа/(mор

Рис. 409. Принципиальная схема атомной электростанции. Урановые

стержни реактора омываются теплоносителем (газо:\!, водой И.1И расплав­

денным метаююм), который отбирает тепло, выделяющееся в стержнях, и в теплообменнике передает его вол:е, образующей пар. Пар, как и на

обычной электростанции, приводит в движение паровую турбину и

соединенный с ней э.lектрогенератор. В ДРУГО:'>I варианте, который так­ же находит применение, пар образуется непосредственно в реакторе,

атеплообменник отсутствует

через реактор, 5 - теплообменник, 6 - помещение управления реак­ тором (пулы управления), 7 - щит с приборами, сигнализирующими

о появлении недопустимой радиоактивности в различных помещениях

станции

.пена в Советском~Союзе в 1954 г. (рис. 41 О). Чертеж реактора

этой электростанции приведен на рис. 411. Главной частьЮ

реактора являются «топливные» элементы с ураном, поме­

щенные в графитовый замедлитель. «Топливные» элементы

Рис. 411. Реактор первой советской атомной электростанции: 1 - гра­

фитовая кладка реактора, заключенная в герметическую стальную обо­

лочку; штриховыми линиям~ очерчена активная зона реактора, в кото­

рой расположен уран; остальной графит служит отражателем нейтро­ нов; 2 - верхняя плита (чугун), 3 - один из 128 рабочих каналов,

вкоторых помещаются урановые стержни и протекает охлаждающая

вода (давление 100 атм), 4 - канал для перемещения регулирующего стержня, содержащего ПОГЛОТИ'!'ель нейтронов (бор); регулирующие

стержни служат для регулировки мощности реактора и прекращения

реакции; 5 - ионизационная камера для измерения интенсивности ре­

представляют собой две тонкостенные трубки из нержавею­

щей стали, вставленные одна в другую. В полость между

трубками герметически заделывается уран, а внутренняя полость образует канал ДЛЯ протекания воды, отбирающей

573