Цепная реакция

Теперь мы уже достаточно подготовлены к тому, чтобы понять – что такое «цепная реакция». С примером цепной реакции мы сталкиваемся нередко. Например тогда, когда идем в лес на костер. Трением спички о спичечный коробок, мы повышаем температуру спичечной головки до такого уровня, что ее достаточно для воспламенения. Загоревшаяся спичка дает тепло, достаточное для возгорания бумаги. Загоревшаяся бумага дает тепло, достаточное для того, чтобы загорелись мелкие щепки. И так далее – это и есть пример цепной реакции. Теперь вернемся к атомам.

Какое ядро более прочное – урана-238 или урана-235? Какое ядро легче развалить, ударив по нему каким-нибудь нейтроном? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо просто рассмотреть – какие силы есть внутри ядра. Там есть электрические силы – положительно заряженные протоны отталкиваются друг от друга. Нейтроны в этом взаимном пинании протонов не участвуют. Зато они участвуют в сильном взаимодействии, которое существует между любыми барионами. Каждый нуклон притягивается к другому нуклону, как только он попадает в радиус действия сильного взаимодействия. Если мы возьмем уран-235 и прибавим к нему 3 нейтрона, чтобы получить уран-238, что произойдет? Куча нуклонов станет немного более громоздкой, при этом силы электрического отталкивания не увеличатся, а сильное взаимодействие – что произойдет с ним? Оно усилится или ослабнет или не изменится? Чтобы ясно понимать – что будет с сильным взаимодействием, можно провести аналогию с гравитацией, которая хорошо нам понятна. Мы знаем, что каждое материальное тело притягивается к другому материальному телу – аналогично каждый нуклон притягивается к любому другому нуклону, который подведен к нему на необходимое расстояние. Мы знаем, что океанские приливы являются следствием того, что Луна, оказавшись над океаном, притягивает его к себе, то есть Луна все время притягивает к себе Землю, а Земля притягивает Луну. А если бы рядом с одной Луной появилась бы вторая? Приливы стали бы в два раза больше, ведь вторая Луна тоже стала бы притягивать Землю. Кроме того, вторая Луна стала бы притягиваться к первой – такое уж свойство материальных тел. Компания «Земля-Луна1-Луна2» стала бы более прочной за счет этих взаимных сил притяжения. И то же самое происходит в ядре. Нуклоны, обладающие свойством притягиваться друг к другу, так и поступают – притягиваются друг к другу, так что 238 нуклонов будут сильнее сцепляться друг с другом, чем 235 нуклонов. Значит ядро урана-238 прочнее.

Теперь рассмотрим другой вопрос. Мы знаем, что разные элементы имеют разное соотношение протонов и нейтронов. В ядрах легких элементах количество протонов и нейтронов почти равно или равно. Но если мы пойдем дальше по таблице Менделеева, мы увидим, что эта пропорция начинает меняться. У ядер средней массы на один протон в среднем приходится 1,3 нейтрона, а в тяжелых ядрах еще больше – в среднем примерно 1,6 нейтрона на каждый протон. Это значит, что когда тяжелое ядро распадается на два легких, то у нас образуются лишние нейтроны. Деваться им некуда и они со свистом вылетают из ядра. Почему со свистом? Почему бы им просто не отползти в сторонку? Это вытекает из закона сохранения энергии. Когда нейтрон находится в ядре, он обладает потенциальной энергией в поле сильнодействующей силы. Но в результате деления ядра один-два нейтрона оказываются лишними, им некуда приткнуться и они остаются за пределами ядра. А что значит «за пределами ядра»? Это значит, что они оказываются вне действия сильного взаимодействия, и их потенциал в поле сильнодействующей силы становится равен нулю. Если потенциальная энергия нейтрона обнулилась, она должна перейти в какую-то другую форму энергии – в данном случае она переходит в энергию кинетическую, и нейтрон улетает именно со свистом.

Итак, мы берем кусок урана (желательно – урана-235, ведь его ядро не такое крепкое, как ядро урана-238) и облучаем его нейтронами, желательно медленными - мы уже рассматривали этот вопрос – почему нужны именно медленные нейтроны. Быстрые нейтроны пролетят мимо, а медленные могут подойти к ядру и захватиться сильным взаимодействием. Это понятно – чем быстрее мимо нас кто-то пролетает, тем сложнее его схватить – его кинетическая энергия борется с энергией наших мышц.

Если какое-то ядро урана захватывает нейтрон и делится, возникает лишние пара нейтронов. А что, если и они, в свою очередь, захватятся другими ядрами урана? Выделится еще больше нейтронов. Так и начнется цепная ядерная реакция. Пока вроде все просто, но почему тогда природный уран давным-давно не пошел по этому пути, ведь в массе урана всегда есть свободные нейтроны, образующиеся за счет самопроизвольного деления урана-235, кроме того нейтронов много в космических лучах. Дело в том, что существует ряд препятствий для начала цепной реакции в природном уране.

Во-первых, в природном уране урана-235 всего лишь 0,7%, а именно уран-235 делится при попадании в него любого нейтрона. Уран-238 так легко делиться не будет – если в него попадет нейтрон с энергией меньше 1МэВ, то он просто захватится ядром или отразится от него. Во-вторых, совсем не каждый нейтрон попадет именно в ядро урана – часть их просто вылетит куда-нибудь в сторону или попросту поглотится другими элементами – примесями урановой руды.

Для того, чтобы произошла цепная реакция, мы должны, следовательно, сделать целый ряд вещей. Например, мы можем собрать в одну кучу только изотопы урана-235. Первая американская бомба была именно такой. Но разделение изотопов урана – дело дорогое, поэтому в атомных электростанциях поступают иначе - нейтроны замедляют, чтобы они более эффективно делили ядра. Для этого используют замедлители нейтронов – такие вещества, которые не поглощают нейтроны, но только замедляют их. Интересно – кто лучше всего подойдет в качестве замедлителя?

Представим себе, что мы кидаем упругий мячик в ёжика. Если ёжик большой, а мячик маленький, то мячик просто отразится и полетит назад. Если ёжик очень маленький, что все будет наоборот – ёжик отлетит, и на мяч это не окажет большого влияния. А вот если масса ёжика будет примерно равна массе мячика, произойдет то, что мы и хотели – мячик затормозится, а то и вовсе почти остановится. Значит – нам нужны атомы, ядра которых максимально близки по массе к нейтрону. Самый подходящий вариант – водород, масса ядра которого почти в точности равна массе нейтрона. Но тут есть одна деталь: протон легко соединяется с нейтроном, образуя ядро изотопа водорода дейтрон. Кроме того, необходимо, чтобы замедлитель был плотным, чтобы как можно больше нейтронов попадало в него, а водород – это газ. Не подходит. Зато подходит дейтерий – ведь его ядро состоит из одного протона и одного нейтрона, и второй нейтрон (с образованием трития) он практически не захватывает. Но газ… газ не годится, а вот вода, в которой вместо водорода будет дейтерий, подойдет, ведь вода – это очень плотное вещество. Кроме того, кислород не поглощает нейтроны, так что тяжелая вода – оптимальный замедлитель, если бы не ее высокая стоимость, а воды-то этой в реакторе требуется несколько тонн! В силу этой высокой стоимости в качестве замедлителя часто используют чистый углерод. Его ядра в 12 раз тяжелее нейтронов, зато он очень доступен и дешев.

Теперь – чтобы как можно меньше нейтронов вылетало в сторону, минуя атому урана, мы должны взять достаточно большой кусок урана, так называемую «критическую его массу». Кроме того, вокруг куска урана мы можем поставить специальные отражатели, которые отражают вылетающие нейтроны обратно в кусок урана.

Теперь – очень грубо, мы можем представлять – как устроен и за счет чего работает ядерный реактор.