Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра

Попадая в ядро урана-235, которое состоит из 92 протонов и 143 нейтронов, плотно упакованных в сфере радиусом около 10^-12 см, нейтрон проникает в это ядро, образуя изотоп уран-236. Пришелец деформирует ядро. Через промежуток времени порядка 10^-14 с две половинки ядра удерживаются лишь маленьким мостиком. Еще такой же маленький промежуток времени — и ядро делится на две части. Одновременно оба образовавшихся осколка выбрасывают из себя два-три (в среднем 2,56) нейтрона. Осколки разлетаются с колоссальной кинетической энергией. Один грамм урана-235 дает столько же энергии, сколько 2,5 т угля, иными словами, 22 000 кВт∙ч. Через 10^-12 с ядра, образовавшиеся после деления, более или менее успокаиваются, излучив при этом восемь фотонов гамма-лучей. Возникшие ядра радиоактивны. В зависимости от того, какие осколки образовались, дальнейший процесс распада может продолжаться от секунд до многих лет с испусканием гамма-лучей и выбрасыванием электронов..

Рис. 5.7 показывает, что чаще всего ядро урана-235 делится на два неравных осколка.

Как видно из кривой, максимальное число делений приводит к образованию ядер с массовыми числами 141 и 95.

Набор возникших радиоактивных осколков во всяком случае весьма велик. Самые различные нужды промышленности в искусственных радиоактивных элементах могут быть удовлетворены.

Если нейтроны, образующиеся при делении одного ядра, будут способны делить ядра других атомов урана, то цепная реакция осуществима.

Так как вещество чрезвычайно «дырчато» в отношении своего ядерного строения, то весьма значительна вероятность того, что образовавшиеся при делении какого-либо ядра нейтроны покинут вещество, не произведя деления других ядер. Кроме того, следует учесть, что не всякая встреча ядер с нейтронами приведет к делению. Цепная реакция будет развиваться в том случае, если в каждый последующий момент число нейтронов, находящихся внутри куска вещества, будет таким же или большим, чем в предшествовавший момент времени. Это условие физик формулирует следующим образом: коэффициент размножения нейтронов, равный произведению числа нейтронов на вероятность встреч нейтрона с ядром и на вероятность захвата нейтрона ядром не должен быть меньше единицы.

Поэтому чистое атомное горючее имеет критическую массу. Если эта масса меньше критической, то можно спокойно (ну, скажем лучше, более или менее спокойно) носить этот кусок ядерного горючего в кармане. Тяжело не будет, так как критическая масса близка к килограмму.

Само собой разумеется, сколь важно знать величину критической массы. Первый расчет этой величины дал в 1939 г. Ф. Перрен, сын Жана Перрена. Этот расчет представляет сейчас лишь исторический интерес, ибо в то время еще не было известно, что данная реакция в природном уране невозможна, в каком бы количестве мы его ни взяли. Но понадобилось совсем немного времени, чтобы картина стала ясной. Цепная реакция в природном уране не идет из-за того, что нейтроны, получающиеся при делении ядер урана-235, поглощаются за счет «резонансного» захвата атомами урана-238 с образованием урана-239, который в результате двух последовательных бета-распадов переходит в нептуний и плутоний. Критической массой обладают только уран-235 и плутоний. Те вещества, которые обладают критической массой, и являются ядерным горючим. Таковы были сведения, которыми физики обладали уже в начале 40-х годов.

Если создать такую конструкцию, при которой нажатием кнопки можно объединить два куска ядерного горючего, каждый из которых имеет массу меньше критической, а объединенная масса выше критической, то произойдет взрыв. На этом простом принципе и работает атомная бомба.

А как поступить, если мы хотим управлять ходом реакции? Ответ достаточно очевиден: надо создать систему, в которой кроме атомов горючего находились бы другие атомы, поглощающие нейтроны и, так сказать, выводящие их из строя. Вполне годятся кадмиевые стержни. Кадмий сильно поглощает нейтроны, и, создав конструкцию, состоящую из стержней ядерного горючего и стержней кадмия, вдвигая и выдвигая их из тела ядерного реактора, или котла (такое название было дано этой системе), можно начать ядерную цепную реакцию, сделав коэффициент размножения нейтронов чуть больше единицы, а затем, доведя выделение тепла до желательного уровня, вдвинуть кадмиевые стержни так, чтобы коэффициент размножения стал в точности равным единице.

Глава 6

Энергия вокруг нас

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

В конечном счете вся энергия, которой мы можем распорядиться, приходит к нам от Солнца. В недрах нашего светила при температурах порядка миллионов кельвинов проходят реакции между атомными ядрами. Идет неуправляемый термоядерный синтез.

Человек научился осуществлять подобные реакции, сопровождающиеся баснословным выделением энергии в земных условиях. Это водородная бомба. Ведутся работы по созданию управляемого термоядерного синтеза, о котором у нас пойдет речь ниже.