Ферми. Ядерная энергия

Лоуренс в Калифорнийском университете должен был руководить исследованиями по обогащению урана электромагнитными методами в циклотроне; Гарольд Юри в Колумбийском университете был ответственным за улучшение процессов обогащения по газодиффузионной технологии; Эгер Мерфри, директор по исследованиям компании Standard Oil, должен был заниматься в Нью-Джерси промышленным обогащением урана путем центрифугирования; наконец, на Артура Комптона в Чикаго было возложено руководство исследованиями в области теоретической физики, а также проектированием и созданием бомбы. Параметр спонтанной делимости — это вероятность спонтанного деления атома за единицу времени без какого-либо внешнего воздействия. Параметр делимости плутония-239 очень высок по сравнению с ураном-235, поэтому с плутонием-239 проще получить сверхкритическую систему, чем с ураном-235. Однако плутоний был получен искусственно, и необходимая технология его производства была развита недостаточно, поэтому власти США считали, что проще идти по пути обогащения урана.

Сначала ни плутоний, ни работы Ферми не были в числе приоритетов американского правительства. К счастью, ученый нашел в Комптоне искреннего сторонника; дружба с семьей Юри, которая приняла Ферми в Колумбийском университете и ввела его с женой в местное общество, а также контакты с группой Лоуренса помогли ученому собрать воедино кусочки атомной мозаики. В Колумбийском университете Ферми поставил источник нейтронов радия и бериллия в диффузорное устройство, содержащее графит, оксид урана и другие материалы, такие как сталь, чтобы наблюдать за особенностями размножения нейтронов. Коэффициент k_∞ показывает количество тепловых нейтронов, которые переходят из одной реакции к другой, поэтому теоретически для непрерывной цепной реакции он должен иметь значение k_∞ ≥ 1.

В идеальных условиях для атомного реактора:

— если k_∞ = 1, возникают критические условия, то есть самоподдерживающаяся цепная реакция (как на современных атомных станциях);

— если k_∞ < 1, возникают подкритические условия, и ядерный реактор остановится;

— если k_∞ > 1, возникают надкритические условия, которые могут привести к взрыву.

ФОРМУЛА ЧЕТЫРЕХ СОМНОЖИТЕЛЕЙ k_∞

Обычно коэффициент размножения к. определяют как произведение четырех величин

k_∞ = η · f · ε · р, где:

— η — коэффициент размножения, который показывает количество нейтронов, полученных в среднем на каждый тепловой нейтрон, захваченный ядерным топливом (обычно ураном-235 и -238). В случае с природным ураном он равен примерно 1,3;

— f — коэффициент использования тепловых нейтронов, который показывает вероятность того, что захват нейтронов произойдет в замедлителе или в структурных элементах, а не в топливе (уране). Обычно имеет значение 0,9;

— ε — коэффициент быстрого деления, который показывает вероятность того, что быстрые нейтроны спровоцируют деление. В реакторах с ураном в качестве топлива это привело бы, например, к делению урана-238; в этом случае значение коэффициента было бы равно 1,03;

— р — показывает вероятность того, что нейтроны избегут резонансного захвата. С графитом в качестве замедлителя его значение равно 0,9.

В идеальном случае при k_∞ = 1 произойдет самоподдерживающаяся реакция без использования внешнего источника нейтронов. В реальных системах обычно коэффициент размножения нейтронов k_ef определяется как произведение бесконечного коэффициента размножения k_∞ идеальной системы на вероятность Р того, что нейтрон ускользнет от системы размножения реактора:

k_ef = P · k_∞