ТЯЖЕЛАЯ ВОДА

КАК ПРОТЕКАЕТ ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ

Освобождение энергии, заключенной в ядрах атомов хи - ” мических элементов, является величайшим достижением современной науки. Освобождение ядерной энергии в про -

Мышленных масштабах производится в специальных уста­новках — ядерных реакторах. Основной процесс, протекаю­щий в реакторах, это деление атомных ядер тяжелых эле­ментов, обычно атомных ядер изотопа урана. Процесс деления осуществляется при помощи знакомой нам элемен­тарной частицы — нейтрона. Лишенный электрического заряда, нейтрон легко проникает внутрь ядра. Поглотив нейтрон, ядро делается неустойчивым. Оно раскалывается на части — осколки, которые разлетаются в разные стороны с огромными скоростями. Энергия движения осколков со­ставляет основную часть (около 80 процентов) всей выделяю­щейся в реакторе энергии.

Свою энергию осколки при столкновениях передают ато­мам окружающей среды. Таким образом, в конечном сче­те, вся энергия осколков идет на повышение температуры внутри реактора. Ядерный реактор подобен топке парового котла, его энергию можно использовать для превращения воды в пар, которым нетрудно заставить вращаться турби­ну или привести в движение поршень паровой машины.

Процесс деления тяжелых ядер сопровождается не только образованием осколков, но и «рождением» от одного до трех новых свободных нейтронов, входивших до того в состав ядра. Новые нейтроны при известных условиях также могут вызвать деление ядер урана и в свою очередь осво­бодить из их недр еще больше нейтронов. В процессе деле­ния ядер число нейтронов быстро возрастает, возрастает число осколков, а следовательно, и энергия, выделяющаяся внутри реактора.

Такие реакции, когда процесс быстро развивается во времени, давно известны ученым; их называют цепными реак­циями.

Если предоставить возможность цепной реакции свобод­но развиваться, то дело кончится взрывом. Если же этого не предоставить, то начавшаяся было реакция может заглох­нуть. Заставить протекать цепную реакцию с желаемой скоростью — задача не из простых.

Для нормальной работы ядерного реактора необходимо большое число нейтронов, но надо уметь и вовремя огра­ничить их прирост.

Познакомимся с принципом действия реактора, в котором в качестве «ядерного горючего» используется чистый ме­таллический уран, полученный из руды какого-нибудь ура­нового месторождения. В таком уране на каждую тысячу атомов приходится около 993 атомов изотопа урана-238 и 7 атомов изотопа урана-235. Встречаются там еще атомы урана-234, но их очень мало, всего около шести на сто тысяч атомов. Их обычно в расчет не принимают.

Деление ядер в куске урана начинается самопроизволь­но, под действием всегда имеющихся в небольшом коли­честве свободных нейтронов. Пусть в какой-то момент произошло деление ядра урана-235. Ядро распалось на два осколка. Это обычно ядра атомов, принадлежащие элемен­там середины таблицы Менделеева. А какие именно,— дело случая. Тут могут образоваться ядра атомов любых элемен­тов, начиная от цинка и кончая европием. Редко, когда ядро раскалывается точно пополам. В большинстве случаев масса одного осколка превосходит массу другого раза в полтора. Например: рубидий-95 и цезий-142, стронций 94 и ксенон-140. Кроме осколков образуются быстро летя­щие нейтроны. Скорость их движения измеряется тысячами и десятками тысяч километров в секунду. Такие быстрые нейтроны способны вызвать деление как ядер урана-238, так и ядер урана-235. Однако далеко не каждое соударение быстрого нейтрона с ядром приводит к реакции деления. Тут могут происходить и другие процессы. Например, ядро захватит нейтрон, а деление не произойдет. Атом урана-238 при этом превратится в новый изотоп — уран-239 и соответ­ственно уран-235—в изотоп урана-236. Но если не происхо­дит процесса деления, значит не появятся новые свободные нейтроны и дальнейшее развитие цепной реакции некому поддерживать. Случается и так: быстрый нейтрон сталки­вается с ядром, но не захватывается им, а только передает часть своей энергии ядру, возбуждает его. Такое соударе­ние тоже не ведет к делению ядра.

Для быстрых нейтронов из этих трех возможных про­цессов: столкновение нейтрона с последующим делением ядра, захват нейтрона с образованием нового изотопа с массой на одну единицу больше и столкновение, в ре­зультате которого нейтрон теряет часть своей энергии, наи­более вероятен последний процесс. Быстрые нейтроны в куске металлического урана, где большинство атомов при­надлежит изотопу урана-238, в массе своей при соударениях с ядрами будут только терять свою энергию. Лишь немногие из них вызовут деление ядер урана-238 или урана-235.

Потеряв часть энергии, нейтрон становится уже неспо­собным вызывать реакцию деления ядер урана-238. Он может производить деление ядер урана-235, но этих ядер в естественном уране мало и столкновения с ними будут редки. В таких условиях цепная реакция развиваться не может.

Но что же будет с «обессиленным» нейтроном, когда он столкнется с ядром урана-238? Дальнейшая его судьба мо­жет сложиться двояко. В одном случае он только потеряет еще часть энергии, но сохранит свою свободу; в другом — ядро «поглотит» его. Такой захват нейтронов в куске естест­венного урана — массовое явление.

Проследим теперь за нейтроном, которому удалось на первых порах избежать захвата ядрами урана-238. Двигаясь между ядрами атомов, он сталкивается с ними и все больше и больше теряет свою энергию. На своем пути он еще не­однократно встречается с опасностью захвата ядром. При некоторых значениях энергии нейтрона ядра урана-238 захватывают его с особой легкостью. Это явление носит название резонансного захвата. Но если нейтрону все же удалось проскочить эти «рифы», и его скорость становится порядка двух тысяч метров в секунду (нейтрон, обладающий такой скоростью называется тепловым), то он практически уже не будет захватываться ядрами урана-238.

Но будет ли способен такой нейтрон вызвать деление ядер урана-235? Да, вероятность деления этого изотопа возра­стает с уменьшением энергии летящего нейтрона. Как пра­вило, каждая встреча теплового нейтрона с ядром урана-235 приведет к реакции деления и освобождению одного, двух или даже трех новых быстрых нейтронов. Если эти нейтроны не будут захвачены, то они вызывут новое деле­ние ядер урана-235. В таких условиях цепная реакция ста­нет развиваться.

Реакция деления ядер урана-235 под воздействием теп­ловых нейтронов и лежит в основе работы большинства со­временных ядерных реакторов.

Итак, для развития цепной реакции надо быстрые ней­троны, выделяющиеся в процессе деления ядер, превратить в медленные, как-то минуя средние (резонансные) значения энергии, при которых нейтроны особенно охотно захваты­ваются ядрами урана-238, не вызывая их деления.

Как же помочь быстрым нейтронам уменьшить свою энергию, стать тепловыми — так, чтобы они не были захва­чены ядрами урана или ядрами других атомов? Для этого можно избрать два пути.

Первый — избежать возможности встречи нейтронов с ядрами урана-238. Тогда большее их число примет участие в реакции деления ядер урана-235. С этой целью природ­ную смесь изотопов урана обогащают ураном-235. В таких условиях цепная реакция пойдет как на быстрых, так и на медленных нейтронах, потому что и те и другие вызывают деление ядер урана-235. Однако обогащение природного урана изотопом урана-235 — сложная и дорогая опе­рация.

Второй путь — найти возможность без больших потерь замедлять нейтроны. Медленные (тепловые) нейтроны прак­тически не захватываются ядрами урана-238, даже если их будет много. При встрече же с ядрами урана-235 они наверняка вызовут реакцию деления. Весь вопрос сво­дится к тому, как осуществить торможение нейтронов, с тем чтобы миновать встречу их с ядрами урана-238, осо­бенно при тех энергиях, когда они легче всего захваты­ваются.

Быстрые нейтроны при встрече с ядрами атомов пере­дают им частично свою энергию. От встречи с тяжелыми ядрами потеря энергии нейтронами небольшая. Чем легче ядро атома, тем большей части своей энергии лишается ней­трон. С ядром урана-238 необходимо более двух тысяч встреч, прежде чем энергия быстрого нейтрона уменьшится до энергии теплового. Среди этих двух тысяч встреч вполне вероятна такая, в результате которой нейтрон окажется за­хвачен ядром. При столкновениях с ядрами углерода (в графите) замедление достигается уже значительно быстрее, для этого достаточно немногим более ста встреч. А с ядрами водорода (в воде) надо всего лишь около двадцати столк­новений.

Таким образом, для быстрого замедления нейтронов же­лательно их направлять в среду, содержащую легкие элемен­ты. Практически для этого часто используют обыкновен­ную воду или графит. Другие легкие элементы для этого не пригодны. Одна из причин — захват нейтронов ядрами этих элементов, не приводящий к реакции деления. Правда, и углерод в графите и особенно протий в воде тоже захватыва­ют значительную часть встречающихся с ними нейтронов, но меньшую по сравнению с другими ядрами.

А нет ли в природе таких ядер, которые почти так же быстро замедляют нейтроны, как и ядра протия, а погло­щают их значительно меньше? Есть!

Лучшим замедлителем нейтронов в ядерных реакторах считается тяжелая вода. Ядра дейтерия, находящиеся в молекулах тяжелой воды, хорошо замедляют нейтроны и почти не поглощают их. Для замедления быстрых нейтро­нов до тепловых скоростей в тяжелой воде достаточно всего несколько десятков столкновений с ядрами дейтерия.

Тепловые нейтроны в тяжелой воде могут быть захва­чены ядрами дейтерия, но для этого они должны испытать около восемнадцати тысяч столкновений, за это время ней­трон пробегает в воде расстояние больше 350 метров. В обыч­ной воде такой же нейтрон захватывается ядром водорода, едва успев пройти всего семнадцать сантиметров.

Отсюда ясны преимущества тяжелой воды как замед­лителя нейтронов в ядерных реакторах перед обычной во­дой. Благодаря таким свойствам тяжелой воды становится возможным построить ядерный реактор, в котором в ка­честве горючего может быть использован естественный ме­таллический уран, без специального, сложного и дорого­стоящего обогащения его изотопом урана-235.

В 1948 году Академией наук Советского Союза был построен ядерный реактор, использующий в качестве за­медлителя нейтронов тяжелую воду. В апреле 1949 года он пущен в действие. В некоторых ядерных реакторах, про­ектируемых для мощных электростанций шестой пятилет­ки, также предполагается использовать в качестве замед­лителя тяжелую воду.

Широкое использование тяжелой воды как замедлите­ля нейтронов в ядерных реакторах, по-видимому, огра­ничивается исключительно высокой ее стоимостью. По данным зарубежной печати минимальная цена одного ку­бического метра тяжелой воды составляет теперь около 300 тысяч долларов (1 200 000 рублей). Принимая во вни­мание, что в реакторах тяжелая вода часто является не только замедлителем, но и выполняет роль теплоносителя, ее требуется значительное количество. В таких реакторах стоимость тяжелой воды достигает почти 40 процентов от общих затрат на постройку реактора и исчисляется десят­ками миллионов долларов.

На Промышленной выставке в Москве демонстрируется макет тяжеловодного реактора, поясняющий всю техноло­гическую схему производства ядерной энергии. Цепная реакция деления урана происходит в алюминиевом сосуде диаметром около 1,5 метра, заполненном тяжелой водой.

В сосуд вставлены блоки из металлического урана, пред­варительно обогащенного ураном-235 до двух процентов. Тяжелая вода, охлаждая блоки урана, циркулирует по замкнутому контуру и в специальном теплообменнике охлаждается обычной проточной водой. Боковая поверхность и днище реактора окружены графитом. Для защиты персо­нала от излучения вокруг реактора возведены бетонные стены, закрытые сверху металлической крышкой из спе­циального сплава.

Вокруг реактора в главном зале и соседних помещениях расположены механизмы, управляющие аппаратом, цир­куляционная система тяжелой воды, бассейны, где выдер­живаются извлеченные из реактора отработанные урано­вые стержни, специальные лаборатории для работы с ра­диоактивными образцами, пульт управления с множеством различных приборов и др.

Там же на выставке демонстрируется действующий реак­тор, замедлителем нейтронов в котором служит не тяжелая, а обычная вода.