Андрей Несмеянов - Радиоактивные изотопы и их применение

Количество атомов плутония, получающихся в процессе деления, как правило, меньше количества атомов разделившегося урана 235.

Если устранить по возможности посторонние процессы, то раз начавшийся процесс деления урана будет происходить самопроизвольно, при этом будет выделяться большое количество энергии.

Цепная реакция деления ядер природного урана благодаря наличию в нем урана 238 может осуществляться только на так называемых медленных нейтронах. Медленные, или тепловые, нейтроны имеют скорость порядка 2000 м/сек. В состав природного урана входят три изотопа:

Изучение процесса деления урана показало, что делению подвергаются главным образом ядра урана 235. Его деление происходит легче под действием медленных нейтронов. Ядра атомов урана 238 делятся только под действием быстрых нейтронов. Уран 238 не делится под действием медленных нейтронов. Уран 234 в смеси находится в таком небольшом количестве, что он практически не влияет на процесс деления.

Деление урана начинается самопроизвольно благодаря внутренней неустойчивости его ядра [8] Так называемое спонтанное деление урана, которое было открыто в 1940 г. советскими физиками Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком. или под действием случайных нейтронов, которые образуются под влиянием космических лучей на ядра атомов азота и кислорода воздуха. Нейтроны, выделившиеся при первом делении, легко могут вылететь за пределы куска урана (если объем его мал) или поглотиться в каком-либо постороннем акте в случае наличия в уране ядер атомов других элементов. Процесс деления в этом случае не будет развиваться, он прекратится; поэтому необходимо, чтобы масса урана была велика — больше определенной величины (критической), когда практически большая часть нейтронов успевает вступить во взаимодействие с ураном. В куске урана с массой меньше критической процесс деления не будет развиваться, ибо нейтроны, выделяющиеся при делении, будут уходить за пределы этого куска и процесс прекратится. В куске урана с массой больше критической раз начавшийся процесс деления вследствие действия выделяющихся нейтронов на новые ядра атома урана будет развиваться со все возрастающей скоростью. Чем больше содержание урана 235 в уране, тем меньше критические размеры, поэтому цепную реакцию деления лучше проводить на уране, обогащенном ураном 235. Обогащение достигается при разделении изотопов урана. Одним из способов разделения изотопов урана служит газовая диффузия. Из урана получают жидкость — шестифтористый уран, ее испаряют и пропускают через ряд пористых перегородок. Скорость прохождения изотопных молекул через перегородки неодинакова. Более легкие молекулы, содержащие уран 235, проходят быстрее. В связи с этим при прохождении каскада перегородок происходит частичное разделение (обогащение) или полное разделение изотопов урана.

Для того чтобы лучше (с бóльшим выходом) происходила реакция деления ядер атомов урана 235, нейтроны необходимо замедлить. Замедлителем нейтронов служат атомы легких элементов таких, как углерод, водород, бериллий и т. п. Нейтроны при столкновении с атомами углерода или водорода теряют свою энергию — замедляются (см. рис. 10), не вступая с ними в реакцию. Замедление необходимо проводить так, чтобы нейтроны теряли энергию от большой к маленькой, не соприкасаясь с ураном 238. Иначе нейтроны, замедленные до скоростей промежуточных между выделившимися и замедленными (с энергией около 1 миллиона электрон-вольт), будут реагировать с ураном 238 с образованием урана 239. Следовательно, нейтроны не будут идти на деление новых ядер атомов урана 235, и цепной процесс деления прекратится. Такое замедление достигается путем размещения урана в замедлителе, например построением решетки из урана и графита.

Нейтроны, попавшие в графитовую прослойку, претерпевают в ней несколько десятков столкновений с атомами углерода и теряют часть энергии. После этого нейтроны, выходя из графита, попадают в уран 235 и вызывают новые акты деления. Однако уран и графит должны быть достаточно чистыми, иначе примеси могут поглотить такое количество нейтронов, что развитие процесса деления — цепная реакция — не будет происходить.

Ученым удалось сконструировать ряд установок для получения атомной энергии, выделяющейся при делении ядер атомов урана и подобных ему элементов. Эти установки получили название ядерных реакторов (атомных котлов). Первый ядерный реактор был пущен в ход уже через 4 года после открытия процесса деления ядер урана, то есть в 1942 г.