Некоторые нюансы: «плохие» и «хорошие» изотопы

Читатель: Если всё обстоит так, как показано на рис. 27.4, то совершенно непонятно, почему до сих пор не взорвались все природные месторождения урана?

Автор: Всё дело в том, что схема на рис. 27.4 идеальная. Она не учитывает ряд важных обстоятельств.

Во-первых, не всякий нейтрон, захваченный ядром, вызывает его деление. После захвата ядро может просто испустить g-квант и всё! Но может и разделиться. Причем оба процесса вероятностные, т.е. для нейтрона существует определенная вероятность вызвать деление или просто быть захваченным ядром урана.

Во-вторых, в природном уране содержатся два изотопа ₉₂U²³⁸ и ₉₂U²³⁵, причем 99,3 % составляет уран-238 и только 0,7 % уран-235. Нейтроны, рожденные в акте деления, имеют энергию порядка 1 МэВ. Для нейтронов таких энергий вероятность быть захваченными ядром урана-238 гораздо выше, чем вероятность вызвать его деление (примерно в 5 раз). Правда, вероятность вызвать деление урана-235 гораздо больше вероятности быть захваченным этим ядром. Но урана-235 в природе очень мало, поэтому цепная реакция на урановом месторождении абсолютно исключена.

Не только уран делится нейтронами. Делятся также торий и плутоний. Но плутония в природе нет, его получают искусственно, а добывать торий ничуть не легче, чем добывать уран.

Теперь давайте разберемся, какие же изотопы «хорошие» (т.е. способны обеспечить цепную реакцию), а какие «плохие» (т.е. не способны обеспечить цепную реакцию). Здесь действует очень простой закон: если массовое число изотопа четное, то он «плохой». Из долгоживущих изотопов к «плохим» относятся: U, U, Th, Pu, Pu. Наиболее распространенный из них – уран-238.

К «хорошим» изотопам относятся U, U, Pu, Pu и т.д. Наибольшую практическую ценность имеют два «хороших» изотопа U и Pu.

Читатель: Что же «хорошего» в плутонии-239, если его вообще нет в природе?

Автор: Его относительно легко получить. Для этого достаточно облучать нейтронами «плохой» (и дешевый!) изотоп U. При этом происходит следующая реакция:

(в скобках указаны периоды полураспада). А сам плутоний-239 относительно стабилен: он хоть и испытывает a-распад, но период полураспада составляет 24400 лет! Теперь понятно, из каких изотопов можно изготовить атомную бомбу: это уран-235 и плутоний-239.

Читатель: А уран-233? Он ведь тоже «хороший».

Автор: В принципе да, но в природе его нет. Уран-233 получается искусственно облучением нейтронами изотопа Th:

.

Уран-233 a-радиоактивен (Т = 162000 лет), но по своим техническим характеристикам уступает плутонию-239.

Итак, с изотопами мы разобрались. Что же еще может помешать цепной ядерной реакции?

Утечка нейтронов

В самом деле, ввиду крошечных размеров атомных ядер нейтрон проходит в веществе значительный путь (измеряемый сантиметрами), прежде чем случайно натолкнется на ядро. Если размеры тела малы, то вероятность столкновения 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. Нейтроны, образовавшиеся внутри тела, имеют перед собой достаточную толщу урана и в большинстве своем вызывают новые деления, продолжая реакцию. Чем больше масса урана, тем меньшую долю объема составляет поверхностный слой, из которого теряется много нейтронов, и тем благоприятнее условия для развития цепной реакции.

В самом деле, площадь поверхности шара S = 4pR², а объем шара V = pR³, т.е. с ростом радиуса объем растет быстрее, чем поверхность.

На рис. 27.5 показано развитие цепной реакции деления в уране-235: а) в малой массе урана-235 большинство нейтронов деления вылетает наружу; б) в большой массе урана-235 многие нейтроны деления вызывают деления новых ядер; число делений возрастает от поколения к поколению. Кружочками показаны осколки деления, стрелками – нейтроны деления.

Рис. 27.5

Увеличивая постепенно количество урана-235, мы достигнем критической массы, т.е. наименьшей массы, начиная с которой возможна незатухающая цепная реакция деления урана. При дальнейшем увеличении массы урана-235 реакция начнет бурно развиваться, а при уменьшении массы ниже критической – затухать.

Таким образом, можно осуществить цепную реакцию деления, если располагать достаточным количеством чистого урана-235, отделенного от урана-238.

Надо сказать, что критическая масса для урана-235 не такая большая – около 60 кг, но получение этих 60 кг из природного урана – очень трудоемкая и дорогостоящая задача, которая под силу не всякому государству.

Читатель: Значит, если изготовить урановый шар массой 60 кг, то он сам собой взорвется?

Автор: Да! Только надо еще обеспечить первичный источник нейтронов. Ведь если в критической массе урана в нужный момент случайно не окажется ни одного нейтрона, то он и не взорвется. Ясно также, что критическая масса должна быть достигнута только в момент взрыва.

Рис. 27.6

Общая схема атомной бомбы показана на рис. 27.6. Ядерный заряд, состоящий из урана-235 или плутония-239, разделен на несколько частей. Масса каждой части меньше критической, поэтому цепной реакции не происходит. Чтобы вызвать взрыв, достаточно соединить части ядерного заряда в один кусок с массой, больше критической. Это нужно сделать очень быстро, и соединение кусков должно быть плотным. В противном случае ядерный заряд разлетится на части прежде, чем успеет прореагировать заметная доля делящегося вещества. Для соединения используется обычное взрывчатое вещество (запал), с помощью которого одна часть ядерного заряда выстреливает в другую. В момент взрыва в бомбу также вводится источник нейтронов. Все устройство заключено в массивную оболочку из металла большой плотности. Оболочка служит отражателем нейтронов и, кроме того, удерживает ядерный заряд от распыления до тех пор, пока максимально возможное число его ядер не выделит свою энергию при делении.

К великому счастью человечества в фашистской Германии «атомному проекту» не уделяли должного внимания, и за годы Второй мировой войны создать атомную бомбу там не смогли. Ядерное оружие первыми изготовили и испытали в 1944 г. в США. Чудовищная мощь атомного оружия, которое США применили в войне против Японии, ужаснула мир: 6 и 9 августа 1945 г. двумя атомными бомбами были фактически стерты с лица земли японские города Хиросима и Нагасаки. В СССР первую атомную бомбу создали в 1947 г, а первое успешное испытание атомного оружия состоялось в 1949 г.

Мирный атом

Спрашивается: можно ли использовать реакцию деления урана в мирных целях? Оказывается можно! Наиболее успешно «мирный атом» подходит для выработки электроэнергии. Первая в мире атомная электростанция заработала 27 июня 1954 г. в г. Обнинске (Калужская область). Доказали свою эффективность атомные подводные лодки (они, правда, не совсем «мирные») и атомные ледоколы.

Отметим одно важное обстоятельство: чем меньше энергия нейтронов, тем лучше они делят ядра урана-235. Это можно представить себе так: вокруг центра ядра существует некоторая воображаемая сфера, при случайном попадании в которую нейтрон вызывает деление ядра. Если энергия нейтрона 1 МэВ, то эта сфера имеет радиус r₀, а если энергия нейтрона 0,025 эВ (что соответствует энергии теплового движения молекул), то эта сфера имеет радиус 1000r₀ (рис. 27.7).

Это означает, что если замедлить нейтрон до скорости теплового движения молекул, то можно осуществить цепную реакцию с очень небольшой долей урана-235, т.е. в качестве топлива годится уран, в котором 3–5 % составляет уран-235, а 95–97 % – уран-238. Ясно, что такое топливо гораздо дешевле, чем чистый уран-235.

Рис. 27.7

Нейтроны, замедленные до скорости теплового движения молекул, называются «медленными» или «тепловыми», а процентное содержание изотопа U²³⁵ в ядерном топливе называется «обогащением» урана.