16.7. Цепная ядерная реакция деления урана

Огромная важность открытия деления урана была понята очень скоро. При делении урана должен возникать значительный излишек нейтронов, двадцать или более, так как отношение количества нейтроновNв ядре урана к количеству протоновZв немN/Z=1,59, а из него образуются два атома элементов середины периодической системы, попадающие в свою область стабильности с отношениемN/Z= 1,2–1,4 после испускания ими нейтронов.

Было установлено, что испускание нейтронов происходит при делении мгновенно. Хотя избыток отношенияN/Zисчезает, в основном за счет последовательных превращений продуктов деления, атом урана испускает также и некоторое количество нейтронов (2–3). Сами продукты деления тоже испускают нейтроны: четыре группы нейтронов, соответствующих продуктам с периодами полураспада 2,5; 7; 24 и 57 с, испускаются вслед за основным делением, но только около 1% всех нейтронов испускается с задержкой, равной 0,01 с. Эти вторичные нейтроны, несмотря на их ничтожное количество, сыграли чрезвычайно важную и полезную роль в управлении искусственным процессом деления и контроле за ним, поскольку именно они позволили сделать процесс деления самоподдерживающимся. Средняя энергия основной группы испускаемых нейтронов 1 МэВ, а потеря ядрами своего нейтронного излишка является процессом, похожим на испарение капли жидкости.

После установления этих фактов появилась возможность осуществить такое деление урана, когда оно, однажды начавшись, продолжалось бы самопроизвольно без дополнительных внешних воздействий, точно так же, как в процессе горения или детонации происходят химические превращения. Поскольку при распаде каждого атома урана возникают несколько высокоэнергетичных нейтронов, которые в свою очередь вызывают деление соседних атомов урана, то контролируемый процесс может протекать равномерно, как горение, в противном случае произойдет страшный взрыв, во много миллионов раз более мощный, чем любой из известных химических взрывов.

Считалось, что уран имеет массовое число 238, и это привело к путанице при анализе результатов облучения урана медленными нейтронами. Полная ясность пришла после открытия, что естественный уран содержит изотоп с массовым числом 235, который делится, и изотоп с массовым числом 238, из которого с помощью резонансного процесса (n,γ) могут возникать трансураны. В первый период рассматривался только уран-238. В письме О. Фриша О.Гану от 6 июня 1939 г. читаем: «Я поговорю с профессором Н.Бором о важности предлагаемой Вами проверки гипотезы об уране-235. Я слышал, в Америке хотят провести частичное разделение этих двух изотопов, что облегчило бы проверку...». Именно Нильс Бор выступил с гипотезой, что деление ядер урана медленными нейтронами происходит только в случае урана-235.

В это же время начинается обсуждение возможности взрывной цепной реакции при делении урана освобождающимися нейтронами, а также технической ядерной энергии. Интересно, что Н.Бор в письме Лизе Мейтнер еще от 12 июля 1939 г. утверждал, что резонансное поглощение нейтронов деления изотопом уран-238 может привести к быстрому прекращению цепной реакции.

Основы теории цепной ядерной реакции деления были заложены тремя работами Я.Б. Зельдовича и Ю.Б.Харитона, опубликованными еще до второй мировой войны. В первой из этих работ «К вопросу о цепном распаде основного изотопа урана» физика процесса цепного деления рассматривается в бесконечной среде, что означает отсутствие утечки нейтронов из системы. Было показано, что экспериментальные значения количества нейтронов в расчете на одно деление и соответствующих сечений таковы, что цепная ядерная реакция деления в уране-238 протекать не может.

Данный вывод был получен как для металлического урана, так и для U3О8, для которого подчеркивалась роль рассеяния на кислороде, затрудняющего протекание цепной реакции. В этой работе впервые было показана невозможность цепной ядерной реакции деления на быстрых нейтронах в естественном уране, т.е. как взрывчатое вещество естественный уран отпал.

Во второй работе Я.Б. Зельдовича и Ю.Б. Харитона «О цепном распаде урана под действием медленных нейтронов» рассматривается цепная ядерная реакция деления на естественном уране, когда основное деление происходит в уране-235. Реакция деления урана 235 протекает интенсивнее с уменьшением энергии нейтронов и не является пороговой (сечение этой реакции обратно пропорционально скорости нейтрона). Поэтому для создания благоприятных условий протекания цепной реакции на уране-235 необходимо нейтроны замедлить. Но уран – тяжелый элемент, так что при рассеянии на ядрах атомов урана нейтрон теряет очень малую часть энергии. Поэтому необходимо ввести в уран замедлитель нейтронов (рассматривается однородная смесь атомов урана и водорода).

При захвате одного медленного нейтрона ядром урана и его делении испускается ν быстрых нейтронов. Чтобы эти нейтроны эффективно захватились с делением урана235, их необходимо замедлить. Но в процессе замедления энергия нейтронов проходит область, в которой очень вероятен захват нейтрона ураном-238. Этот захват происходит без деления, и для цепной ядерной реакции деления захваченный нейтрон потерян. Кроме того, нейтрон может быть захвачен при замедлении атомами замедлителя. Вероятность потери нейтрона в этих процессах определяет величину коэффициента размножения нейтронов К в бесконечной среде смеси топлива (уран-235) и замедлителя (воды). Я.Б. Зельдович и Ю.Б. Харитон показали, что цепная ядерная реакция деления в смеси урана и водорода невозможна: для ее осуществления необходимо использовать либо уран, обогащенный ураном-235 не менее чем до 1,3%, либо легкие замедлители, которые поглощают нейтроны не так интенсивно, как водород (например тяжелую воду D2О).

Не менее важна и третья работа Я.Б. Зельдовича и Ю.Б. Харитона «Кинетика цепного распада урана». Она посвящена изучению системы, содержащей делящиеся ядра, вблизи состояния критичности, т.е. такого состояния, когда начинается цепная развивающаяся реакция. Необходимо выбрать такое соотношение объёмов ядерного топлива и замедлителя, чтобы размножение нейтронов в этой среде было максимальным. Изменяя это соотношение, можно получить коэффициенты размножения нейтронов К=1; К<1 и К>1. При К=1 возникает самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция деления, но размножающая нейтроны среда очень чувствительна к изменению своих свойств. При протекании самоподдерживающейся цепной ядерной реакции процесс деления урана-235 приводит к уменьшению его концентрации (выгоранию), атомы – продукты деления – начинают поглощать нейтроны и коэффициент размножения нейтронов становится менее единицы (К<1), наступает так называемое подкритическое состояние. Это приводит к затуханию и прекращению процесса самоподдерживающейся цепной ядерной реакции деления. Она могла бы продолжаться, если ввести в систему нейтроны от внешнего источника. Кроме того, в процессе развития самоподдерживающейся ядерной реакции при делении ядра урана-235 выделяется тепловая энергия, которая приводит к тепловому расширению топлива и замедлителя, уменьшению их плотности, т.е. к падению концентрации атомов урана-235 и атомов водорода в воде. Это приводит к уменьшению числа делений урана-235 (и падению концентрации нейтронов) и снижению замедляющей способности воды, которая реализуется в процессе столкновений нейтронов с атомами водорода. В результате процесс самоподдерживающейся ядерной реакции деления затухает и прекращается.

Если коэффициент размножения нейтронов в среде ядерное топливо + замедлитель больше единицы (К>1), то система надкритична и концентрация нейтронов возрастает очень быстро (по экспоненциальному закону). Запаздывающие нейтроны, испускаемые атомными ядрами – осколками деления ядра урана-235 – со значительным запаздыванием по отношению к моменту деления (от долей секунды до десятков секунд), сглаживают резкое увеличение концентрации нейтронов, что позволяет регулировать течение процесса в интервале значений коэффициента размножения нейтронов 1<K<1+β, где β – доля запаздывающих нейтронов (до 1% нейтронов, испускаемых при делении).

Таким образом, в этих трех работах изложены наиболее принципиальные моменты теории цепной ядерной реакции деления и установлено, что:

1. в естественном уране цепная ядерная реакция деления на быстрых нейтронах в уране-238 идти не может;
2. на реализацию цепной ядерной реакции на медленных нейтронах за счет деления урана-235 влияет резонансное поглощение нейтронов в уране-238;
3. резонансное поглощение нейтронов при замедлении ослабляется и пропорционально корню квадратному из концентрации урана-235;
4. в смеси естественного урана и водорода цепная реакция невозможна; для осуществления цепной ядерной реакции в этом случае необходимо обогащение ураном-235 либо использование замедлителя с меньшим поглощением нейтронов (например тяжелой воды D2O);
5. вблизи состояния критичности кинетика нарастания концентрации нейтронов смягчается из-за наличия запаздывающих нейтронов.

Таким был уровень теории цепной ядерной реакции, достигнутый накануне второй мировой войны. После этого густая завеса тайны покрыла ядерные исследования. В официальном отчете правительства США сообщалось: «Некоторые работы Ферми и Сцилларда заставляют думать, что элемент уран может стать новым важным источником энергии...что можно было бы использовать при создании бомбы громадной мощности».

С этого момента попытки извлечения атомной энергии из урана имели две цели: создание сверхмощного взрывчатого вещества и управляемое медленное освобождение энергии для промышленных нужд. Первая цель считалась безотлагательной в тот период мировой истории. Каждое из этих направлений требовало разработки своего технологического процесса. Работы начались в двух направлениях (особенно в США), однако вскоре обнаружилось, что наиболее быстрым способом достижения первой цели является осуществление второй. Впоследствии оба направления развивались параллельно и оба технологических процесса почти в равной степени способствовали достижению военной цели.

Разделение двух изотопов урана с массовыми числами 235 и 238 было необходимым условием достижения военной цели. Атомная бомба требовала огромного количества чистого урана-235, но он составляет всего 0,714% естественного урана. Поскольку массы изотопов урана близки, а химические свойства их одинаковы, то выделение урана-235 из природной смеси изотопов является технологически трудной задачей. При медленном получении энергии необходимы большие количества урана, и здесь в качестве побочного продукта получается плутоний-239:

который так же, как и уран-235, делится под действием нейтронов. Таким образом, возникла идея «атомного котла», названного так изза простоты его конструкции. Это название теперь вытеснено более подходящим названием «ядерный реактор». Задачей «атомного котла» было производство плутония для атомной бомбы. В этом процессе было необходимо поддерживать цепную ядерную реакцию деления на уране-235, с одной стороны, и обеспечить резонансный захват нейтронов ураном-238 с образованием плутония, с другой. Поэтому нужно было быстро выводить быстрые нейтроны деления из массы урана, замедлять их, отнимая кинетическую энергию, и вновь направлять их в уран уже тепловыми нейтронами, чтобы вызвать деление урана-235. Функцию замедлителей нейтронов могли выполнять атомы легких элементов, в столкновении с которыми нейтроны теряют значительную часть своей энергии, не вызывая в то же время изменения этих атомов. В то время были известны два материала, пригодные для этих целей, – тяжелая вода D2О и углерод. Из-за высокой цены тяжелой воды остановились на углероде в виде графита.