§ 118. Ланцюгова ядерна реакція

Вище вже говорилося про те, що під час кожного поділу ядра урану звільняються нейтрони. Виникає надзвичайно важливе питання: скільки нейтронів одержується в од­ному акті поділу. Це питання важливе тому, що коли число нейтронів в середньому велике, то їх можна використати для поділу наступтагх ядер, тобто виникає можливість здійснення так званої ланцюгової реакції. Над розв'язан­ням цього завдання в 1939—1940 pp. працювали практич­но в усіх великих ядерних лабораторіях світу. Експе­риментально встановлено, що в середньому на один акт поділу випускається 2,5 (від 2 до 3) миттєвих нейтронів. Будь-який в нейтронів, який вилітає у процесі поділу ядра, може у свою чергу викликати поділ наступних 2—3-х ядер, які також випускають нейтрони, здатні ви­кликати поділ ядер.

Нехай після кожного поділу випускаються три нейтрони. Тоді один нейтрон може викликати ділення і породити три нейтрони. Наввемго їх нейтронами першого покоління. Вони в свого чергу створять 3 == 9 нейтроні» другого покоління. В третьому поколінні виникне 3'= 27 нейтро­нів і т. д. На малюнку 232 покавана схема розмноження нейтронів. Початковий нейтрон відіграє роль сірника, який запалює пальне.

Реакції з розмноженням нейтронів відбуваються анало­гічно до ланцюгових хімічних реакцій, тому вони також

названі ланиюговими. Для початку хімічної ланцюгової реакції потрібен запал (Іскра, факел). Ним для ланцю­гової ядерної реакції служить невелика кількість нейтро­нів. Коли б розмноження нейтронів відбувалося так, як показано на малюнку 232, то один нейтрон у п'ятдесятому поколінні розмножився б донейтронів. У дій-

сності, не всі нейтрони викликають ділення. Частина нейтронів може захопитися ядрами домішок до урану, які не діляться (або погано діляться), частина нейтронів може вилетіти через поверхню об'єму пального, не встигаючи зіткнутися з його ядрами. Існують й інші причини змен­шення числа нейтронів, які беруть активну участь у лан­цюговій ядерній реакції.

Очевидно, що обов'язковою умовою виникнення ланцю­гової ядерної реакції б наявність розмноження нейтронів. Розмноження числа нейтронів характеризують так званим коефіцієнтом розмноження k, який дорівнює відношенню числа нейтронів, які викликають поділ ядер речовини на одному з етапів реакції, до— нейтронів, які

викликали поділ на попередньому етапі реакції:

Необхідною умовою для розвитку ланцюгової ядерної реакції є вимога. Приланцюгова ядерна реак-

ція розвивається у формі вибуху; привона буде

стаціонарною, тобто сама себе підтримуватиме (число нейтронів, які виникають за одиницю часу, залишається сталим); і приреакція швидко затухав. Коефіцієнт

розмноження залежить від ряду факторів, зокрема від природи і кількості речовини, яка ділиться, від геомет­ричного об'єму, який вона займав. Одна й та сама кількість даної речовини має найбільший коефіцієнт при кулястій

формі об'єму, оскільки в цьому випадку втрата миттввих нейтронів через поверхню об'єму буде найменшою (куля має мінімальну поверхню при даному об'ємі).

Практичне здійснення ядерної ланцюгової реакції вимагає подолання значних труднощів. Природний уоан є сумішшю двох ізотопів:в кількості 0,7 % і—

99,3 %. Ці ізотопи під дією нейтронів ведуть себе по-різ­ному. Ядра урану діляться нейтронами будь-яких енергій, однак особливо добре повільними (тепло­вими) нейтронами. Ядра ж діляться лише дуже швидкими нейтронами з енергією понад 1 МеВ. Нейтрони меншої енергії поглинаються ядрамибез наступного їх поділу. В результаті утворюється нестабільне ядро (період піврозпаду дорівнює 25 хвилинам). Ви­пускаючи електрон, антинейтрино і фотон, це ядро пере­творюється в ядро першого трансуранового елемента неп­тунію . Нептуній також зазнає бета-розпаду (Т= 2,3 доби), перетворюючись в плутоній . Плу­тоній альфа-радіоактивний, однак його період піврозпаду такий великий (24 400 років), що його можна вважати практично стабільним.

Ця істотна відміна в поведінці ізотопів урану під дією нейтронів робить неможливим здійснення ланцюгової ядерної реакції в природному урані, тобто в природній суміші ізотопів урану. Справді, нехай під дією якогось випадкового («блукаючого») нейтрона відбувся поділ ядра урану-235 або урану-238. Під час цього поділу виникас 2—3 миттввих нейтрони з енергією близько 1 МеВ. Ней­трони такої енергії не викликають поділу ядер урану-238, тому ділитимуться лише ядра урану-235, яких у природній суміші є дуже мало (0,7 %). В результаті зіткнень віль­них нейтронів з ядрами нейтрони сповільнюватимуться і поглинатимуться ураном 235 і ураном-238; при цьому уран-235 ділитиметься, а уран-238 буде лише зменшу­вати загальне число нейтронів за рахунок їх поглинання. Оскільки ядер урану-238 приблизно в 140 раз більше, ніж урану-235, то в природній суміші ізотопів урану ймовірність поглинання нейтронів ядрами урану-238 без поділу в багато разів перевищує ймовірність поглинання нейтронів ядрами урану-235 з поділом, і ланцюгова реак­ція не може розвиватися ні на повільних, ні на швидких нейтронах в природному урані.

Цю трудність можна подолати двома способами: 1. Можна виділити ізотоп урану-235, який ділиться. Однак хімічні властивості обох ізотопів майже однакові,

а тому їх розщеплення становить дуже складне завдання. Доводиться використовувати незначну різницю в швидко­стях перебігу хімічних реакцій, дифузії тощо, обумовлену різницею в масах ізотопів. Практично ланцюгову реакцію завжди здійснюють в природному урані, попередньо збагаченому ураном-235 до 5 %.

2. Можна сповільнювати нейтрони, щоб істотно змен­шити поглинання їх ядрами урану-235. У цьому випадку реакція може здійснюватися на природному чи трохи збагаченому ізотопом урані. Однак виникає про-

блема, як сповільнити нейтрони високих енергій, що виникають під час поділу ядер, до незначних (теплових) енергій. Звичайно, і в природній суміші двох ізотопів урану нейтрони, стикаючись з ядрами, поступово сповіль­нюються..Однак у процесі природного сповільнення занад­то багато нейтронів поглинається ураном-238 до того, як вони сповільняться до енергій, ефективних для поділу . Звідси виникає необхідність швидкого сповільнення нейтронів іншою речовиною, яка слабко поглинає їх, до того, як вони зіткнуться з ураном. Для цієї мети вико­ристовують сповільнювач — речовину з великою сповільнюючою, але з малою поглинаючою нейтрони здатні­стю. Його часто розміщають шарами окремо (гетерогенно) від урану. Однак можна також рівномірно перемішувати (гомогенно) речовину, яка ділиться і яка сповільнює нейтрони.

Отже, щоб дістати в стаціонарній установці енергію в результаті ланцюгової реакції поділу ядер, треба ство­рити пристрій з урахуванням усіх перерахованих особ­ливостей реакції поділу. Такий пристрій, в якому під­тримується керована реакція поділу ядер, називається ядерним (або атомним) реактором.

? 1. Скільки нейтронів випускає ядро урану під час одного акту поділу? 2. При яких умовах можлива ланцюгова ядерна реакція?