Точно в таком же положении находится и нейтрон, вылетевший из разделившегося ядра. Он тоже ничего "не видит", и весьма вероятно, что он пролетит мимо всех окружающих его ядер урана. Ведь кусок урана только нам кажется очень плотным, непроницаемым веществом.
Для нейтрона же это пустота, в которой ему лишь изредка попадаются ядра урана. Их объем в этом кусочке занимает всего одну десятитриллионную долю. Сам нейтрон по сравнению с этим "пустым" кусочком урана так же мал, как шарик объемом в один кубический миллиметр по Сравнению с Солнцем.
Чтобы рождающиеся нейтроны могли попасть в ядра урана, нужно на пути их полета увеличить количество этих ядер, а значит, увеличить толщину слоя урана, через который должны пролетать нейтроны. С ростом размеров куска урана, который мы можем называть реактором, все большее число нейтронов будет попадать в ядра урана, вызывая их деление.
При каком-то размере куска доля нейтронов, попадающих в ядра урана, будет достаточна для поддержания цепной реакции. Этот минимальный объем реактора, при котором обеспечивается самоподдерживающаяся цепная реакция, называют критическим объемом, а соответствующий вес урана - критической массой. Величина ее для урана-235 составляет около 50 килограммов.
Этот реактор мы "построили" целиком из урана.
Однако более распространены реакторы другого типа, в которых уран перемешан с каким-либо неделящимся элементом. Тогда критическая масса может быть гораздо меньшей.
Основной принцип, лежащий в основе построения такого реактора, был открыт Э. Ферми в 1934 году, когда вообще еще ничего не было известно о делении урана.
Вместе со своими сотрудниками Б. Понтекорво, Амальди и другими Э. Ферми занимался исследованием радиоактивности различных элементов. Образцы изготавливались в виде пустотелых цилиндров с вставленными в них источниками нейтронов. При облучении материала цилиндрика нейтронами образовывались радиоактивные ядра. Именно их радиоактивность и изучали исследователи. И вот 22 декабря 1934 года, производя опыты с серебряным цилиндриком, Б. Понтекорво обнаружил, что активность цилиндрика была разной в зависимости от того, где он стоял в момент облучения. Оказалось, что предметы, находящиеся вблизи цилиндрика, способны влиять на его активность: если цилиндрик облучали, когда он стоял на деревянном столе, его активность была выше, на металлической подставке она понижалась.
Вот что пишет по этому поводу Лаура Ферми в книге "Атомы у нас дома": "Теперь уже вся группа заинтересовалась этим и все приняли участие в опытах. Они поместили источник нейтронов вне цилиндра и между ним и цилиндриком ставили различные предметы.
Свинцовая пластина слегка увеличивала активность.
Свинец - вещество тяжелое. "Ну-ка давайте попробуем теперь легкое! предложил Ферми. - Скажем, парафин". Счетчик словно с цепи сорвался, так и защелкал.
Все здание загремело возгласами. Немыслимо! Невообразимо! Черная магия! Парафин увеличивал искусственную радиоактивность в сто раз...
"Давайте-ка попробуем установить, какое действие окажет на активность серебра большое количество воды", - заявил Энрико.
Лучшего места, где имелось бы "большое количество воды", чем фонтан с золотыми рыбками в саду... позади лаборатории, нельзя было и придумать. Они притащили свой источник нейтронов и серебряный цилиндрик к фонтану и опустили то и другое в воду. Результаты эксперимента привели их в неистовое возбуждение... Вода также во много раз увеличивала искусственную радиоактивность серебра".
Чем же было вызвано такое "неистовое возбуждение" Э. Ферми и его сотрудников? Что было необычного и, если хотите, на первый взгляд противоречивого в этих опытах?
Вот что поразило исследователей. Ведь радиоактивность серебряного цилиндрика определяется тем, сколько нейтронов, вылетающих из источника, попадет в ядра серебра, образуя при этом радиоактивные ядра. Но ведь количество вылетающих нейтронов не менялось и цилиндрик оставался прежним, а тем не менее радиоактивность возрастала. Значит, в силу каких-то причин сечение ядер серебра, то есть площадь их, то есть мишени, в которые попадали нейтроны, менялось в зависимости от соседствующих предметов. Еще более фантастичным оказался тот факт, что сечение ядер для налетаюших на них нейтронов было в несколько десятков раз больше геометрической площади сечения ядер серебра.
Это поставило ученых в тупик. Когда группа Э. Ферми в том же году сообщила о результатах своих исследований, многие физики посчитали эти опыты ошибочными.
Ведь получалось, что вокруг ядра есть какая-то зона, намного превышающая площадь ядра, попав в которую нейтрон тут же захватывался ядром. Но если даже признать, что такое явление возможно, нужно было объяснить, почему эта площадь зависит от предметов, находящихся вблизи цилиндра.
Первое объяснение этим фактам дал сам Э. Ферми.
Уже во время эксперимента он догадывался, в чем первопричина этого явления. И не случайно предложил провести опыты в бассейне с водой. Позже многочисленными опытами и теоретическими разработками удалось существенно прояснить картину взаимодействия нейтронов с ядрами. Давайте и мы более подробно посмотрим, что происходит с нейтронами, пролетающими через какое-либо вещество. Ведь в опытах Э. Ферми активность цилиндрика менялась как раз потому, что между ним и источником нейтронов размещали разные материалы.
В основном картина взаимодействия нейтронов с веществом такова. Столкнувшись с ядром атома, нейтрон может просто поглотиться в нем. Если это ядро делящегося материала, то может произойти деление ядра.
Наконец, столкнувшись с ядром, нейтрон может просто отскочить от него рассеяться. Вот это событие следует рассмотреть внимательнее.
Если летящий футбольный мяч ударится о стенку дома, он отскочит от нее и с чуть меньшей скоростью полетит в каком-то другом направлении. Но если он ударится о другой такой же мяч, то может случиться так, что он совсем или почти совсем остановится, а тот, что находился в покое, полетит со скоростью, близкой к скорости налетевшего на него мяча. Значит, в первом сл\чае (при столкновении со стенкой) скорость футбольного мяча почти не изменилась, а во втором (столкнонии мяча с мячом) она стала близка к нулю. Конечно, и во втором случае футбольные мячи могли бы столкнуться так, что после удара полетели бы в разные стороны с какими-то скоростями, правда, меньшими, чем скорость налетевшего мяча, но для нас важен тот факт, что при соударении мяча с телом, масса которого оч"ень велика по сравнению с ним, скорость последнего почти не меняется. При столкновении же с телом массой, равной или близкой его массе, его скорость может изменяться весьма существенно.
Приблизительно то же самое происходит и с нейтронами, рассеивающимися на различных ядрах. Если нейтрон пролетит сквозь свинец (как в первом опыте Э. Ферми), то, сталкиваясь с ядрами атомов свинца, которые в 200 раз тяжелее нейтрона, он отскакивает от них, как футбольный мяч от стенки дома, почти ее уменьшая своей скорости, а следовательно, и энергии.
Значит, рассеяние нейтронов свинцом не приводит к существенному уменьшению их энергии.
Но вот источник нейтронов был помещен в воду, и его нейтроны, прежде чем добраться до серебряного цилиндрика, должны были пройти через слой воды, в которой очень миого атомов водорода, то есть много протонов, почти равных по весу нейтронам. Соударяясь с ними, как футбольный мяч с другим мячом, нейтрон может потерять большую часть своей энергии.
Чем больше число раз нейтрон столкнется с ядрами водорода, тем меньше будет его скорость, а значит, и энергия. Конечно, совсем остановиться иейтрон не может. Ведь атомы вещества не находятся в покое. Они движутся, колеблются, сталкиваются, обусловливая этим движением температуру вещества. Вот и получается, что остановиться нейтрон ее может. Если он попытается это сделать, на него немедленно налетели бы беспорядочно движущиеся окружающие его ядра и заставили бы двигаться. Итак, минимальная скорость движения нейтрона определяется температурой вещества. При комнатной температуре эта скорость равна всего двум тысячам метров в секунду, и поэтому нейтроны, движущиеся с такой скоростью, называют тепловыми, или медленными, так как их скорость после столкновения с окружающими ядрами вещества замедляется в 10 тысяч раз. Скорость же нейтронов, вылетающих при делении, равна 20 тысячам километров в секунду. Поэтому их называют быстрыми.
Теперь понятно, почему были разными результаты опытов, поставленных Э. Ферми при облучении серебряного цилиндрика. В одном случае на него падали быстрые нейтроны, в другом - медленные. Значит, площадь сечения ядра-мишени зависит от того, какова энергия нейтрона, налетающего на ядро. Ясно, что когда мы говорим о площади сечения ядра, то подразумеваем не геометрическую, а эффективную площадь ядра, попав в которую нейтрон провзаимодействует с ядром, то есть поглотится, рассеется или вызовет деление.
Есть такая игра: на дне небольшой коробочки сделано несколько лунок и там столько же шариков. Задача заключается в том, чтобы, покачивая коробочку, заставить все шарики упасть в лунки. Попробуйте сделать это, тряся коробочку очень резко. Поверьте, из этого ничего не получится. Шарики, быстро перекатывающиеся по дну коробочки, пролетят мимо лунок, и если даже попадут в них, то тотчас выскочат и покатятся дальше. Только очень осторожно наклоняя коробочку, так, чтобы шарики катились медленно, можно заставить их попасть в лунки. Приблизительно так же можно было бы объяснить увеличение площади сечения ядра при
уменьшении скорости нейтрона. Чем медленнее нейтрон, чем дольше он находится вблизи ядра, тем больше вероятность того, что он не проскочит мимо него.
Здесь целесообразно заметить, что истинная причина такой зависимости сечения ядер от скорости налетающих нейтронов лежит в двойственной природе самого нейтрона. Мы считали, что он - частица, подобная, например, очень маленькому шарику. И действительно, во многих явлениях и процессах нейтрон ведет себя как частица. Но существует множество опытов, которые можно объяснить только, посчитав нейтрон неким сгустком волн, что он как бы размазан в пространстве. При этом оказывается, что чем меньше его скорость, тем больше длина его волны и его размер. Если же нейтрон очень медленный, то может оказаться, что его размер в несколько тысяч раз больше размера ядра. Поэтому так сильно возрастает площадь, попав в которую нейтрон взаимодействует с ядром. Физики называют эту площадь сечением ядра, именно ядра, а не налетающего на него нейтрона.
Это открытие позволило предложить другой тип атомного реактора, нежели просто кусок металлического урана-235. Необходимое условие осуществления цепной реакции - это удержание в таком реакторе достаточного количества нейтронов, рождающихся при делении. Если реактор делается только из урана, то приходится значительно увеличивать размеры шара, так как при делении урана рождаются быстрые нейтроны, а сечение ядер для таких нейтронов очень маленькое, и большое количество нейтронов улетает из уранового шара, так и не вызвав нового деления.
Ограничить вылет нейтронов из атомного реактора и заставить их делить ядра урана можно и другим способом. Для этого в реактор надо добавлять любой химический элемент, замедляющий нейтроны, например водород. Столкновение с ядрами водорода будет не только препятствовать вылету нейтронов, но и замедлять их.
А медленные нейтроны, как мы уже знаем, будут более эффективно захватываться ядрами урана и делить их.
Если такой реактор сделать в виде сферы, заполненной водой, в которой будет растворен уран, то, чтобы началась цепная реакция, потребуется всего около килограмма урана. Такой атомный реактор называют реактором на тепловых, или медленных, нейтронах.
Реактор, в который специально не вводится замедляющее вещество и представляющий собой, например, сферу из металлического урана, называют реактором на быстрых нейтронах.
Так целая цепочка открытий, сделанных в 30-е годы нашего столетия, дала возможность разработать теорию и приступить к созданию атомного реактора, в котором при делении ядер освобождалась бы внутриядерная энергия.
Конечно, всем этим достижениям предшествовали фундаментальные классические исследования, а попытки проникнуть внутрь ядра начались на несколько десятилетий раньше. Точно так же ведущиеся в наше время исследования по физике ядра и элементарных частиц несомненно приведут к новому скачку в понимании тайн веществ, не меньшему, чем был осуществлен в те уже довольно далекие годы.
ТЫСЯЧИ ВОПРОСОВ
Я бы предпочел найти истинную причину хотя бы одного явления, чем стать королем Персии.
Демокрит
Одно из основных преимуществ атомной энергетики - это огромная калорийность используемого в ней ядерного топлива. Вспомните числа: деление урана дает 20 миллионов килокалорий на грамм разделившегося топлива против 7 килокалорий на грамм угля. Это много, бесконечно много. Такая высокая калорийность позволяет значительно уменьшить объем перевозок топлива.
Кроме того, одним из главных достоинств атомной энергетики является возможность перенесения центра тяжести производства энергии из отрасли, добывающей топливо (уголь, нефть, газ, сланцы), в отрасль машиностроения с ее традиционно поточным методом производства и высокой степенью автоматизации.
В действительности эффективная калорийность ядерного топлива оказывается не столь высокой. Правда, на транспортных расходах некоторое уменьшение выхода энергии в реакторе по сравнению с расчетной почти не сказывается. Подумаешь, вместо 20 миллионов килокалорий из грамма урана мы получим в 100 раз меньше!
Однако соглашаться на такой расточительный его расход никак нельзя. Ведь на Земле его не бесконечное количество. От чего же зависит эффективность использования ядерного горючего?
Всего процент. Почему?
Главная идея, лежащая в основе ядерного реактора деления, понятна: нужно, смешав уран и замедлитель, взять достаточное количество смеси, и в ней возникнет цепная реакция. Объем этой смеси называют критическим объемом, а массу урана - критической массой.
Однако бесполезно пытаться сделать реактор с однородной смесью природного урана и какого-либо легкого замедлителя: воды или графита. Он работать не будет; как говорят физики, такая установка никогда не достигнет критичности. Одна из причин неудачи состоит в том"
что в смеси применен природный уран.
В чистом виде урана-235, способного делиться под действием тепловых нейтронов, в природе не существует. Во всех рудах и минералах, содержащих уран, он находится в смеси с другим изотопом - ураном-238.
А его, к сожалению, в природном уране содержится 99,3 процента. И только около 0,7 процента приходится на долю урана-235. Чем же это плохо?
А тем, что уран-238 тепловыми нейтронами не делится, а просто поглощает их. Более того, он жадно поглощает не только тепловые - медленные нейтроны, но и нейтроны более быстрые, еще не успевшие отдать свою энергию в процессе замедления. Такой сильный захват нейтронов физики назвали резонансным.
Еще в 1936 году И. Курчатов в работе "Расщепление ядер нейтронами" описал явление резонансного поглощения. Но вышло так, что честь этого открытия принадлежит не ему. В то время, когда И. Курчатов и его сотрудники для проверки выводов и опровержения сомнений коллег-оппонентов, в первую очередь Л. Арцимовича, вновь и вновь ставили контрольные опыты, в печати появилась публикация Э. Ферми, в которой и описывалось резонансное поглощение нейтронов.
Казалось бы, если уран-238 - вредный поглотитель, то его нужно просто отделить от урана-235. Конечно, это так. Но вот отделить его вовсе не просто. Если, скажем, нужно очистить воду от каких-либо примесей, то ясно, что речь идет о разделении различных химических веществ, обладающих различными химическими и физическими свойствами. На этом и основывается разделение. Но уран-238 и уран-235 - это разные изотопы одного и того же химического элемента, и химические и физические свойства у них практически одинаковы. Разделение этих изотопов должно основываться на другом принципе, на их различии. Чем же отличается уран-238 от урана-235?
Вес этих изотопов различный, и в основе их разделения должно лежать это различие. Существует большое количество методов разделения изотопов; упомянем лишь электромагнитный, метод центрифугирования и газовой диффузии. Расскажем о методе газовой диффузии, на примере которого особенно отчетливо видны трудности, которые необходимо преодолевать при разделении изотопов одного и того же элемента.
Метод этот основан на том факте, что молекулы легкого газа при одной и: той же температуре движутся в среднем более быстро, чем молекулы тяжелого газа.
Как-то в 1945 году на одном из научно-технических заседаний, когда советский ученый И. Кикоин рассказывал о методах разделения, И. Курчатов в шутку заметил, что этот процесс схож, если можно так выразиться, с ситуацией при выходе из кинотеатра после окончания сеанса: подростки проскакивают быстрее степенных и солидных зрителей.
Возвращаясь к проблеме разделения изотопов, скажем, что если пропускать через пористую перегородку газовую смесь, то молекулы легкого газа пройдут быстрее и за перегородкой содержание его окажется больше, чем до перегородки.
Уран-238 и уран-235, как известно, металлы.
Для разделения их прежде всего переводят в газообразное состояние, соединяют с фтором и получают гексафторид урана. Этот газ и пропускают через пористую перегородку с микроскопическими отверстиями порядка 10^-8 сантиметра. Однако после одного прогона через перегородку содержание легкого изотопа урана-235 увеличивается всего в 1,002 раза. Чтобы увеличить концентрацию, этот процесс повторяют снова и снова. Например, чтобы поднять содержание урана-235 с 0,7 процента до 99, нужно пропустить газ примерно через 4 тысячи таких перегородок.
При разделении больших количеств изотопов применяют перегородки гигантской площади. Больше того, для разделения газовых смесей нужно строить специальные заводы, на которых площадь только одних пористых перегородок должна составлять сотни гектаров.
Система же труб, соединяющих отдельные камеры, протягивается на несколько тысяч километров. Ценой очень больших усилий удается отделить вредный, поглощающий нейтроны изотоп уран-238 от урана-235.
Поэтому так высока его стоимость.
Процессы разделения, которые часто называют обогащением урана, настолько важны для атомной энергетики, что научно-исследовательские и поисковые работы продолжаются и по сей день. Предложен ряд новых методов разделения, в том числе способ, основанный на использовании лазерного излучения, интенсивно изучаемый в настоящее время.
Используя уран, обогащенный изотопом урана-235, и применяя однородную смесь урана, например, с графитом, уже можно создать действующий реактор.
При достижении некоторого объема в нем начнется цепная реакция деления - реактор заработает и... через очень короткое время остановится. Почему? Дело в том, что при производстве энергии часть ядер урана-235 разделится выгорит. Количество его, находящееся в активной зоне реактора, станет меньше критической массы, и цепная реакция затухнет.
Из такого положения есть два выхода. Первый состоит в том, чтобы непрерывно загружать реактор новым ураном-235, заменяя им выгоревший. Можно, кроме того, заранее загружать активную зону дополнительным количеством горючего, предназначенного для выгорания.
Использовать первый способ в чистом виде практически невозможно: стоит выгореть всего нескольким атомам урана-235, как цепная реакция начнет затухать.
Поэтому применяют комбинацию того и другого. В реактор загружают не весь уран, необходимый для работы реактора все время, на которое он рассчитан, а только часть его. Затем, по мере выгорания, добавляют новые порции урана.
Поскольку речь зашла о выгорании урана, стоит рассказать еще об одной особенности работы реактора при нагрузке, говорят, "на мощности". Связана эта особенность с осколками ядер, образующимися при делении урана, или, как их иногда называют, - шлаками.
При пуске первого реактора, работающего "на мощности", физики столкнулись с необъяснимым явлением, впоследствии получившим название отравление. Действительно, это явление выглядит так, словно в реактор, который только что был выведен "на мощность", кто-то начинает подсыпать вредный поглотитель, бесполезно захватывающий нейтроны и прекращающий цепную реакцию.
Теперь это явление получило объяснение. Но когда физики столкнулись с ним впервые, оно выглядело непонятным, а ситуация тревожной. Под сомнением оказалась возможность работы реакторов на большой мощности. Ведь могло случиться, что при увеличении мощности отравление станет настолько большим, что ценная реакция прекратится и реактор нельзя будет вернуть в критическое состояние.
Такие мысли тревожили физиков, наблюдавших за поведением реакторов. Но уже через несколько дней после начала работы первого реактора "на мощности"
Э. Ферми удалось отыскать, или, если быть более точным, понять причину этого явления. Непонятное стало очевидным, простым, однако... неприятности, вызываемые отравлением, конечно, не исчезли. Остались они потому, что вызывались все теми же осколками ядер, или шлаками, возникающими при делении.
Шлаки, зола затрудняют процесс горения и в обычной угольной топке. Но там, обеспечивая нормальные условия для горения, их просто удаляют из топки. Другое дело шлаки атомного реактора. Удалить их очень трудно. Ведь они - атомы новых элементов, образовавшиеся при делении, и находятся они среди окружающих их атомов урана. Практически все они так и остаются в реакторе до самого конца его работы, то есть до той поры, пока активная зона не будет заменена новой. Накапливание осколков ведет к потере нейтронов, бесполезно поглощающихся ими.
Влияние некоторых шлаков-осколков на цепную реакцию сказывается сразу же после начала работы, так как они обладают очень большим сечением поглощения. Влияние других, имеющих маленькое сечение поглощения нейтронов, выявляется постепенно, по мере их накопления. Но все равно рано или поздно шлаков накопится столько, что цепная реакция прекратится, несмотря на то, что к этому времени в реакторе останется еще очень много урана-235. Ведь до самого последнего момента реактор был критическим и в нем шла цепная реакция. Теперь, после остановки, все топливо, включая и невыгоревший уран-235, нужно удалять из реактора и загружать его свежим. Выгоревший уран направляется в специальные хранилища.
Если проследить всю цепочку обращения с этим металлом, начиная с его добычи и кончая извлечением из реактора и его захоронением, то окажется, что полезно используется, то есть преобразуется в энергию, очень небольшая доля. Из всего добываемого урана в энергию деления переводится лишь один процент. Как видите, эффективная калорийность урана с учетом невыгоревшего топлива оказывается в сто раз меньше теоретически рассчитанной. Значит, на самом деле каждый грамм урана может дать не 20 миллионов килокалорий, а всего 200 тысяч. Но по сравнению с 7 килокалориями, которые можно получить при сжигании грамма угля, это, конечно, все еще очень много.
Низкая эффективность использования уранового топлива беспокоит нас и с другой точки зрения. Ведь запасы дешевого урана, как и других органических видов топлива, не безграничны. Поэтому повышение эффективности его использования - это важнейшая задача атомной энергетики сегодняшнего дня. Путей улучшения использования урана достаточно много: тут и уменьшение в реакторах вредного поглощения нейтронов за счет применения подходящих материалов, и снижение потерь при добыче урана, и экономия при изготовлении топлива, и многие другие.
Но основные причины ниакой эффективности еще и в потере топлива, выгружаемого после работы реактора. Совершенно очевидно, что его необходимо вторично использовать в реакторе, а для этого надо переработать, очистив от шлаков.
Принципиальных трудностей, тупиковых проблем в переработке топлива нет. А вот технических трудностей очень много. Достаточно сказать, что уран нужно очистить от химических элементов чуть ли не всей таблицы Менделеева, а также от многочисленных химических соединений. Ныне, правда, уже есть лабораторные, а в ряде случаев налажены и промышленные способы очистки ядерного горючего. Все же есть нужда в особых предприятиях, где все операции и манипуляции с топливом, по ремонту и замене оборудования могли бы осуществляться дистанционно. Ведь большая часть осколков, образующихся при делении, а также многие новые элементы, которые возникают при поглощении нейтронов, радиоактивны. Работать с ними так, как мы работаем с другими веществами, нельзя. Нужны специальные меры защиты. Надо сказать, что эти меры защиты, необходимые защитные материалы и конструкции известны. Однако объединение всего этого, в общем, принципиально известного атомного хозяйства - химических процессов, аппаратов переработки, автоматики, оборудования, защитных материалов и способов защиты - в одно целое, то есть создание такого надежно и эффективно работающего завода по переработке топлива, - это сложная научно-техническая проблема. Но нет сомнения, что она будет решена, ибо уже работают опытно-промышленные установки и даже заводы промышленного масштаба.
Для нейтрона же это пустота, в которой ему лишь изредка попадаются ядра урана. Их объем в этом кусочке занимает всего одну десятитриллионную долю. Сам нейтрон по сравнению с этим "пустым" кусочком урана так же мал, как шарик объемом в один кубический миллиметр по Сравнению с Солнцем.
Чтобы рождающиеся нейтроны могли попасть в ядра урана, нужно на пути их полета увеличить количество этих ядер, а значит, увеличить толщину слоя урана, через который должны пролетать нейтроны. С ростом размеров куска урана, который мы можем называть реактором, все большее число нейтронов будет попадать в ядра урана, вызывая их деление.
При каком-то размере куска доля нейтронов, попадающих в ядра урана, будет достаточна для поддержания цепной реакции. Этот минимальный объем реактора, при котором обеспечивается самоподдерживающаяся цепная реакция, называют критическим объемом, а соответствующий вес урана - критической массой. Величина ее для урана-235 составляет около 50 килограммов.
Этот реактор мы "построили" целиком из урана.
Однако более распространены реакторы другого типа, в которых уран перемешан с каким-либо неделящимся элементом. Тогда критическая масса может быть гораздо меньшей.
Основной принцип, лежащий в основе построения такого реактора, был открыт Э. Ферми в 1934 году, когда вообще еще ничего не было известно о делении урана.
Вместе со своими сотрудниками Б. Понтекорво, Амальди и другими Э. Ферми занимался исследованием радиоактивности различных элементов. Образцы изготавливались в виде пустотелых цилиндров с вставленными в них источниками нейтронов. При облучении материала цилиндрика нейтронами образовывались радиоактивные ядра. Именно их радиоактивность и изучали исследователи. И вот 22 декабря 1934 года, производя опыты с серебряным цилиндриком, Б. Понтекорво обнаружил, что активность цилиндрика была разной в зависимости от того, где он стоял в момент облучения. Оказалось, что предметы, находящиеся вблизи цилиндрика, способны влиять на его активность: если цилиндрик облучали, когда он стоял на деревянном столе, его активность была выше, на металлической подставке она понижалась.
Вот что пишет по этому поводу Лаура Ферми в книге "Атомы у нас дома": "Теперь уже вся группа заинтересовалась этим и все приняли участие в опытах. Они поместили источник нейтронов вне цилиндра и между ним и цилиндриком ставили различные предметы.
Свинцовая пластина слегка увеличивала активность.
Свинец - вещество тяжелое. "Ну-ка давайте попробуем теперь легкое! предложил Ферми. - Скажем, парафин". Счетчик словно с цепи сорвался, так и защелкал.
Все здание загремело возгласами. Немыслимо! Невообразимо! Черная магия! Парафин увеличивал искусственную радиоактивность в сто раз...
"Давайте-ка попробуем установить, какое действие окажет на активность серебра большое количество воды", - заявил Энрико.
Лучшего места, где имелось бы "большое количество воды", чем фонтан с золотыми рыбками в саду... позади лаборатории, нельзя было и придумать. Они притащили свой источник нейтронов и серебряный цилиндрик к фонтану и опустили то и другое в воду. Результаты эксперимента привели их в неистовое возбуждение... Вода также во много раз увеличивала искусственную радиоактивность серебра".
Чем же было вызвано такое "неистовое возбуждение" Э. Ферми и его сотрудников? Что было необычного и, если хотите, на первый взгляд противоречивого в этих опытах?
Вот что поразило исследователей. Ведь радиоактивность серебряного цилиндрика определяется тем, сколько нейтронов, вылетающих из источника, попадет в ядра серебра, образуя при этом радиоактивные ядра. Но ведь количество вылетающих нейтронов не менялось и цилиндрик оставался прежним, а тем не менее радиоактивность возрастала. Значит, в силу каких-то причин сечение ядер серебра, то есть площадь их, то есть мишени, в которые попадали нейтроны, менялось в зависимости от соседствующих предметов. Еще более фантастичным оказался тот факт, что сечение ядер для налетаюших на них нейтронов было в несколько десятков раз больше геометрической площади сечения ядер серебра.
Это поставило ученых в тупик. Когда группа Э. Ферми в том же году сообщила о результатах своих исследований, многие физики посчитали эти опыты ошибочными.
Ведь получалось, что вокруг ядра есть какая-то зона, намного превышающая площадь ядра, попав в которую нейтрон тут же захватывался ядром. Но если даже признать, что такое явление возможно, нужно было объяснить, почему эта площадь зависит от предметов, находящихся вблизи цилиндра.
Первое объяснение этим фактам дал сам Э. Ферми.
Уже во время эксперимента он догадывался, в чем первопричина этого явления. И не случайно предложил провести опыты в бассейне с водой. Позже многочисленными опытами и теоретическими разработками удалось существенно прояснить картину взаимодействия нейтронов с ядрами. Давайте и мы более подробно посмотрим, что происходит с нейтронами, пролетающими через какое-либо вещество. Ведь в опытах Э. Ферми активность цилиндрика менялась как раз потому, что между ним и источником нейтронов размещали разные материалы.
В основном картина взаимодействия нейтронов с веществом такова. Столкнувшись с ядром атома, нейтрон может просто поглотиться в нем. Если это ядро делящегося материала, то может произойти деление ядра.
Наконец, столкнувшись с ядром, нейтрон может просто отскочить от него рассеяться. Вот это событие следует рассмотреть внимательнее.
Если летящий футбольный мяч ударится о стенку дома, он отскочит от нее и с чуть меньшей скоростью полетит в каком-то другом направлении. Но если он ударится о другой такой же мяч, то может случиться так, что он совсем или почти совсем остановится, а тот, что находился в покое, полетит со скоростью, близкой к скорости налетевшего на него мяча. Значит, в первом сл\чае (при столкновении со стенкой) скорость футбольного мяча почти не изменилась, а во втором (столкнонии мяча с мячом) она стала близка к нулю. Конечно, и во втором случае футбольные мячи могли бы столкнуться так, что после удара полетели бы в разные стороны с какими-то скоростями, правда, меньшими, чем скорость налетевшего мяча, но для нас важен тот факт, что при соударении мяча с телом, масса которого оч"ень велика по сравнению с ним, скорость последнего почти не меняется. При столкновении же с телом массой, равной или близкой его массе, его скорость может изменяться весьма существенно.
Приблизительно то же самое происходит и с нейтронами, рассеивающимися на различных ядрах. Если нейтрон пролетит сквозь свинец (как в первом опыте Э. Ферми), то, сталкиваясь с ядрами атомов свинца, которые в 200 раз тяжелее нейтрона, он отскакивает от них, как футбольный мяч от стенки дома, почти ее уменьшая своей скорости, а следовательно, и энергии.
Значит, рассеяние нейтронов свинцом не приводит к существенному уменьшению их энергии.
Но вот источник нейтронов был помещен в воду, и его нейтроны, прежде чем добраться до серебряного цилиндрика, должны были пройти через слой воды, в которой очень миого атомов водорода, то есть много протонов, почти равных по весу нейтронам. Соударяясь с ними, как футбольный мяч с другим мячом, нейтрон может потерять большую часть своей энергии.
Чем больше число раз нейтрон столкнется с ядрами водорода, тем меньше будет его скорость, а значит, и энергия. Конечно, совсем остановиться иейтрон не может. Ведь атомы вещества не находятся в покое. Они движутся, колеблются, сталкиваются, обусловливая этим движением температуру вещества. Вот и получается, что остановиться нейтрон ее может. Если он попытается это сделать, на него немедленно налетели бы беспорядочно движущиеся окружающие его ядра и заставили бы двигаться. Итак, минимальная скорость движения нейтрона определяется температурой вещества. При комнатной температуре эта скорость равна всего двум тысячам метров в секунду, и поэтому нейтроны, движущиеся с такой скоростью, называют тепловыми, или медленными, так как их скорость после столкновения с окружающими ядрами вещества замедляется в 10 тысяч раз. Скорость же нейтронов, вылетающих при делении, равна 20 тысячам километров в секунду. Поэтому их называют быстрыми.
Теперь понятно, почему были разными результаты опытов, поставленных Э. Ферми при облучении серебряного цилиндрика. В одном случае на него падали быстрые нейтроны, в другом - медленные. Значит, площадь сечения ядра-мишени зависит от того, какова энергия нейтрона, налетающего на ядро. Ясно, что когда мы говорим о площади сечения ядра, то подразумеваем не геометрическую, а эффективную площадь ядра, попав в которую нейтрон провзаимодействует с ядром, то есть поглотится, рассеется или вызовет деление.
Есть такая игра: на дне небольшой коробочки сделано несколько лунок и там столько же шариков. Задача заключается в том, чтобы, покачивая коробочку, заставить все шарики упасть в лунки. Попробуйте сделать это, тряся коробочку очень резко. Поверьте, из этого ничего не получится. Шарики, быстро перекатывающиеся по дну коробочки, пролетят мимо лунок, и если даже попадут в них, то тотчас выскочат и покатятся дальше. Только очень осторожно наклоняя коробочку, так, чтобы шарики катились медленно, можно заставить их попасть в лунки. Приблизительно так же можно было бы объяснить увеличение площади сечения ядра при
уменьшении скорости нейтрона. Чем медленнее нейтрон, чем дольше он находится вблизи ядра, тем больше вероятность того, что он не проскочит мимо него.
Здесь целесообразно заметить, что истинная причина такой зависимости сечения ядер от скорости налетающих нейтронов лежит в двойственной природе самого нейтрона. Мы считали, что он - частица, подобная, например, очень маленькому шарику. И действительно, во многих явлениях и процессах нейтрон ведет себя как частица. Но существует множество опытов, которые можно объяснить только, посчитав нейтрон неким сгустком волн, что он как бы размазан в пространстве. При этом оказывается, что чем меньше его скорость, тем больше длина его волны и его размер. Если же нейтрон очень медленный, то может оказаться, что его размер в несколько тысяч раз больше размера ядра. Поэтому так сильно возрастает площадь, попав в которую нейтрон взаимодействует с ядром. Физики называют эту площадь сечением ядра, именно ядра, а не налетающего на него нейтрона.
Это открытие позволило предложить другой тип атомного реактора, нежели просто кусок металлического урана-235. Необходимое условие осуществления цепной реакции - это удержание в таком реакторе достаточного количества нейтронов, рождающихся при делении. Если реактор делается только из урана, то приходится значительно увеличивать размеры шара, так как при делении урана рождаются быстрые нейтроны, а сечение ядер для таких нейтронов очень маленькое, и большое количество нейтронов улетает из уранового шара, так и не вызвав нового деления.
Ограничить вылет нейтронов из атомного реактора и заставить их делить ядра урана можно и другим способом. Для этого в реактор надо добавлять любой химический элемент, замедляющий нейтроны, например водород. Столкновение с ядрами водорода будет не только препятствовать вылету нейтронов, но и замедлять их.
А медленные нейтроны, как мы уже знаем, будут более эффективно захватываться ядрами урана и делить их.
Если такой реактор сделать в виде сферы, заполненной водой, в которой будет растворен уран, то, чтобы началась цепная реакция, потребуется всего около килограмма урана. Такой атомный реактор называют реактором на тепловых, или медленных, нейтронах.
Реактор, в который специально не вводится замедляющее вещество и представляющий собой, например, сферу из металлического урана, называют реактором на быстрых нейтронах.
Так целая цепочка открытий, сделанных в 30-е годы нашего столетия, дала возможность разработать теорию и приступить к созданию атомного реактора, в котором при делении ядер освобождалась бы внутриядерная энергия.
Конечно, всем этим достижениям предшествовали фундаментальные классические исследования, а попытки проникнуть внутрь ядра начались на несколько десятилетий раньше. Точно так же ведущиеся в наше время исследования по физике ядра и элементарных частиц несомненно приведут к новому скачку в понимании тайн веществ, не меньшему, чем был осуществлен в те уже довольно далекие годы.
ТЫСЯЧИ ВОПРОСОВ
Я бы предпочел найти истинную причину хотя бы одного явления, чем стать королем Персии.
Демокрит
Одно из основных преимуществ атомной энергетики - это огромная калорийность используемого в ней ядерного топлива. Вспомните числа: деление урана дает 20 миллионов килокалорий на грамм разделившегося топлива против 7 килокалорий на грамм угля. Это много, бесконечно много. Такая высокая калорийность позволяет значительно уменьшить объем перевозок топлива.
Кроме того, одним из главных достоинств атомной энергетики является возможность перенесения центра тяжести производства энергии из отрасли, добывающей топливо (уголь, нефть, газ, сланцы), в отрасль машиностроения с ее традиционно поточным методом производства и высокой степенью автоматизации.
В действительности эффективная калорийность ядерного топлива оказывается не столь высокой. Правда, на транспортных расходах некоторое уменьшение выхода энергии в реакторе по сравнению с расчетной почти не сказывается. Подумаешь, вместо 20 миллионов килокалорий из грамма урана мы получим в 100 раз меньше!
Однако соглашаться на такой расточительный его расход никак нельзя. Ведь на Земле его не бесконечное количество. От чего же зависит эффективность использования ядерного горючего?
Всего процент. Почему?
Главная идея, лежащая в основе ядерного реактора деления, понятна: нужно, смешав уран и замедлитель, взять достаточное количество смеси, и в ней возникнет цепная реакция. Объем этой смеси называют критическим объемом, а массу урана - критической массой.
Однако бесполезно пытаться сделать реактор с однородной смесью природного урана и какого-либо легкого замедлителя: воды или графита. Он работать не будет; как говорят физики, такая установка никогда не достигнет критичности. Одна из причин неудачи состоит в том"
что в смеси применен природный уран.
В чистом виде урана-235, способного делиться под действием тепловых нейтронов, в природе не существует. Во всех рудах и минералах, содержащих уран, он находится в смеси с другим изотопом - ураном-238.
А его, к сожалению, в природном уране содержится 99,3 процента. И только около 0,7 процента приходится на долю урана-235. Чем же это плохо?
А тем, что уран-238 тепловыми нейтронами не делится, а просто поглощает их. Более того, он жадно поглощает не только тепловые - медленные нейтроны, но и нейтроны более быстрые, еще не успевшие отдать свою энергию в процессе замедления. Такой сильный захват нейтронов физики назвали резонансным.
Еще в 1936 году И. Курчатов в работе "Расщепление ядер нейтронами" описал явление резонансного поглощения. Но вышло так, что честь этого открытия принадлежит не ему. В то время, когда И. Курчатов и его сотрудники для проверки выводов и опровержения сомнений коллег-оппонентов, в первую очередь Л. Арцимовича, вновь и вновь ставили контрольные опыты, в печати появилась публикация Э. Ферми, в которой и описывалось резонансное поглощение нейтронов.
Казалось бы, если уран-238 - вредный поглотитель, то его нужно просто отделить от урана-235. Конечно, это так. Но вот отделить его вовсе не просто. Если, скажем, нужно очистить воду от каких-либо примесей, то ясно, что речь идет о разделении различных химических веществ, обладающих различными химическими и физическими свойствами. На этом и основывается разделение. Но уран-238 и уран-235 - это разные изотопы одного и того же химического элемента, и химические и физические свойства у них практически одинаковы. Разделение этих изотопов должно основываться на другом принципе, на их различии. Чем же отличается уран-238 от урана-235?
Вес этих изотопов различный, и в основе их разделения должно лежать это различие. Существует большое количество методов разделения изотопов; упомянем лишь электромагнитный, метод центрифугирования и газовой диффузии. Расскажем о методе газовой диффузии, на примере которого особенно отчетливо видны трудности, которые необходимо преодолевать при разделении изотопов одного и того же элемента.
Метод этот основан на том факте, что молекулы легкого газа при одной и: той же температуре движутся в среднем более быстро, чем молекулы тяжелого газа.
Как-то в 1945 году на одном из научно-технических заседаний, когда советский ученый И. Кикоин рассказывал о методах разделения, И. Курчатов в шутку заметил, что этот процесс схож, если можно так выразиться, с ситуацией при выходе из кинотеатра после окончания сеанса: подростки проскакивают быстрее степенных и солидных зрителей.
Возвращаясь к проблеме разделения изотопов, скажем, что если пропускать через пористую перегородку газовую смесь, то молекулы легкого газа пройдут быстрее и за перегородкой содержание его окажется больше, чем до перегородки.
Уран-238 и уран-235, как известно, металлы.
Для разделения их прежде всего переводят в газообразное состояние, соединяют с фтором и получают гексафторид урана. Этот газ и пропускают через пористую перегородку с микроскопическими отверстиями порядка 10^-8 сантиметра. Однако после одного прогона через перегородку содержание легкого изотопа урана-235 увеличивается всего в 1,002 раза. Чтобы увеличить концентрацию, этот процесс повторяют снова и снова. Например, чтобы поднять содержание урана-235 с 0,7 процента до 99, нужно пропустить газ примерно через 4 тысячи таких перегородок.
При разделении больших количеств изотопов применяют перегородки гигантской площади. Больше того, для разделения газовых смесей нужно строить специальные заводы, на которых площадь только одних пористых перегородок должна составлять сотни гектаров.
Система же труб, соединяющих отдельные камеры, протягивается на несколько тысяч километров. Ценой очень больших усилий удается отделить вредный, поглощающий нейтроны изотоп уран-238 от урана-235.
Поэтому так высока его стоимость.
Процессы разделения, которые часто называют обогащением урана, настолько важны для атомной энергетики, что научно-исследовательские и поисковые работы продолжаются и по сей день. Предложен ряд новых методов разделения, в том числе способ, основанный на использовании лазерного излучения, интенсивно изучаемый в настоящее время.
Используя уран, обогащенный изотопом урана-235, и применяя однородную смесь урана, например, с графитом, уже можно создать действующий реактор.
При достижении некоторого объема в нем начнется цепная реакция деления - реактор заработает и... через очень короткое время остановится. Почему? Дело в том, что при производстве энергии часть ядер урана-235 разделится выгорит. Количество его, находящееся в активной зоне реактора, станет меньше критической массы, и цепная реакция затухнет.
Из такого положения есть два выхода. Первый состоит в том, чтобы непрерывно загружать реактор новым ураном-235, заменяя им выгоревший. Можно, кроме того, заранее загружать активную зону дополнительным количеством горючего, предназначенного для выгорания.
Использовать первый способ в чистом виде практически невозможно: стоит выгореть всего нескольким атомам урана-235, как цепная реакция начнет затухать.
Поэтому применяют комбинацию того и другого. В реактор загружают не весь уран, необходимый для работы реактора все время, на которое он рассчитан, а только часть его. Затем, по мере выгорания, добавляют новые порции урана.
Поскольку речь зашла о выгорании урана, стоит рассказать еще об одной особенности работы реактора при нагрузке, говорят, "на мощности". Связана эта особенность с осколками ядер, образующимися при делении урана, или, как их иногда называют, - шлаками.
При пуске первого реактора, работающего "на мощности", физики столкнулись с необъяснимым явлением, впоследствии получившим название отравление. Действительно, это явление выглядит так, словно в реактор, который только что был выведен "на мощность", кто-то начинает подсыпать вредный поглотитель, бесполезно захватывающий нейтроны и прекращающий цепную реакцию.
Теперь это явление получило объяснение. Но когда физики столкнулись с ним впервые, оно выглядело непонятным, а ситуация тревожной. Под сомнением оказалась возможность работы реакторов на большой мощности. Ведь могло случиться, что при увеличении мощности отравление станет настолько большим, что ценная реакция прекратится и реактор нельзя будет вернуть в критическое состояние.
Такие мысли тревожили физиков, наблюдавших за поведением реакторов. Но уже через несколько дней после начала работы первого реактора "на мощности"
Э. Ферми удалось отыскать, или, если быть более точным, понять причину этого явления. Непонятное стало очевидным, простым, однако... неприятности, вызываемые отравлением, конечно, не исчезли. Остались они потому, что вызывались все теми же осколками ядер, или шлаками, возникающими при делении.
Шлаки, зола затрудняют процесс горения и в обычной угольной топке. Но там, обеспечивая нормальные условия для горения, их просто удаляют из топки. Другое дело шлаки атомного реактора. Удалить их очень трудно. Ведь они - атомы новых элементов, образовавшиеся при делении, и находятся они среди окружающих их атомов урана. Практически все они так и остаются в реакторе до самого конца его работы, то есть до той поры, пока активная зона не будет заменена новой. Накапливание осколков ведет к потере нейтронов, бесполезно поглощающихся ими.
Влияние некоторых шлаков-осколков на цепную реакцию сказывается сразу же после начала работы, так как они обладают очень большим сечением поглощения. Влияние других, имеющих маленькое сечение поглощения нейтронов, выявляется постепенно, по мере их накопления. Но все равно рано или поздно шлаков накопится столько, что цепная реакция прекратится, несмотря на то, что к этому времени в реакторе останется еще очень много урана-235. Ведь до самого последнего момента реактор был критическим и в нем шла цепная реакция. Теперь, после остановки, все топливо, включая и невыгоревший уран-235, нужно удалять из реактора и загружать его свежим. Выгоревший уран направляется в специальные хранилища.
Если проследить всю цепочку обращения с этим металлом, начиная с его добычи и кончая извлечением из реактора и его захоронением, то окажется, что полезно используется, то есть преобразуется в энергию, очень небольшая доля. Из всего добываемого урана в энергию деления переводится лишь один процент. Как видите, эффективная калорийность урана с учетом невыгоревшего топлива оказывается в сто раз меньше теоретически рассчитанной. Значит, на самом деле каждый грамм урана может дать не 20 миллионов килокалорий, а всего 200 тысяч. Но по сравнению с 7 килокалориями, которые можно получить при сжигании грамма угля, это, конечно, все еще очень много.
Низкая эффективность использования уранового топлива беспокоит нас и с другой точки зрения. Ведь запасы дешевого урана, как и других органических видов топлива, не безграничны. Поэтому повышение эффективности его использования - это важнейшая задача атомной энергетики сегодняшнего дня. Путей улучшения использования урана достаточно много: тут и уменьшение в реакторах вредного поглощения нейтронов за счет применения подходящих материалов, и снижение потерь при добыче урана, и экономия при изготовлении топлива, и многие другие.
Но основные причины ниакой эффективности еще и в потере топлива, выгружаемого после работы реактора. Совершенно очевидно, что его необходимо вторично использовать в реакторе, а для этого надо переработать, очистив от шлаков.
Принципиальных трудностей, тупиковых проблем в переработке топлива нет. А вот технических трудностей очень много. Достаточно сказать, что уран нужно очистить от химических элементов чуть ли не всей таблицы Менделеева, а также от многочисленных химических соединений. Ныне, правда, уже есть лабораторные, а в ряде случаев налажены и промышленные способы очистки ядерного горючего. Все же есть нужда в особых предприятиях, где все операции и манипуляции с топливом, по ремонту и замене оборудования могли бы осуществляться дистанционно. Ведь большая часть осколков, образующихся при делении, а также многие новые элементы, которые возникают при поглощении нейтронов, радиоактивны. Работать с ними так, как мы работаем с другими веществами, нельзя. Нужны специальные меры защиты. Надо сказать, что эти меры защиты, необходимые защитные материалы и конструкции известны. Однако объединение всего этого, в общем, принципиально известного атомного хозяйства - химических процессов, аппаратов переработки, автоматики, оборудования, защитных материалов и способов защиты - в одно целое, то есть создание такого надежно и эффективно работающего завода по переработке топлива, - это сложная научно-техническая проблема. Но нет сомнения, что она будет решена, ибо уже работают опытно-промышленные установки и даже заводы промышленного масштаба.