Концепції сучасного природознавства - Карпов Я. С. - 3.7 Проблеми енергетики (ядерні і термоядерні реактори)

3.7.1. Поділ ядер урану

Нейтрон — це ключ, який відкрив шлях до використання запасів внутрішньоядерної енергії. Тепер ми знаємо про нього багато: він не має заряду, його маса трохи перевищує масу протона, а всі атомні ядра являють собою щільне упакування із суміші протонів і нейтронів. Джеймс Чедвік, співробітник лабораторії Е. Резерфорда, відразу ж після відкриття нейтрона в 1932 році висунув гіпотезу про протонно-нейтронну структуру ядра. Ця гіпотеза цілком себе підтвердила й жодного разу не піддалася сумнівам.

Першим, хто відразу ж зрозумів, що нейтрон — це ідеальний засіб для дослідження ядерних реакцій, був великий італійський фізик Енріко Фермі. Головна відмінність і перевага нейтрона — його електронейтральність, що дозволяє йому безперешкодно проникати в ядра будь-яких навіть найважчих елементів.

Е. Фермі більше відомий як теоретик, однак Нобелівську премію він одержав за роботи з експериментальної фізики. Будь-яка з наукових спеціалізацій була для нього завузькою, він був натуралістом у найточнішому й найширшому розумінні цього слова. Така універсальність — якість для XX століття надзвичайно рідкісна — виявилася вкрай необхідною для вирішення проблеми атомної енергії, де кожен крок був кроком у невідоме.

Улітку 1934 року група молодих італійських фізиків (старшому — Е. Фермі — було лише 33 роки) захоплено експериментувала: вони опромінювали нейтронами різні елементи й спостерігали, що відбувається. Ідея їхніх дослідів полягала в одержанні штучних ізотопів. Дійсно, коли нейтрон поглинається яким-небудь ядром, воно перетворюється в ізотоп того ж елемента, що у свою чергу прагне позбутися зайвого нейтрона. Найпростіший шлях — перетворити нейтрон у протон, вивільнивши при цьому електрон. Коли відбувається такий р- розпад, утворюється ядро нового елемента, яке має заряд і масу на одну одиницю більші, ніж у вихідного ядра. За короткий період "команда Фермі" опромінила 68 елементів і синтезувала майже півсотні нових ізотопів.

Але головне відкриття чекало на них 22 жовтня 1934 року: нейтрони в сотні разів ефективніше захоплюються ядрами, якщо на шляху нейтронів установити шматок парафіну або опустити мішень під воду. Подив учених не проходив аж дві години -- доти, поки Фермі з властивою йому елегантністю не окреслив контури нового фізичного явища. Суть його надзвичайно проста: молекули води Н20 складаються з водню й кисню, а маса нейтрона практично дорівнює масі протона. Тому при зіткненні нейтрона з ядрами водню він швидко сповільнюється — у десятки разів швидше, ніж при зіткненнях з важкими ядрами, — а після цього легко вступає в ядерні реакції.

Подив звичайно є наслідком зіткнення несподіваних чинників з інерцією мислення. За багато років фізики звикли до думки, що ядро — це хоч і не підвладне відчуттям, але щось дуже міцне, і щоб його змінити, необхідно якнайсильніше розігнати снаряд — нехай це буде протон чи а-частинка. Із цією метою було навіть винайдено прискорювачі. А для нейтрона все виявилося навпаки: чим повільніше він рухався, тим легше ядра поглинали його. На відкриття ядерних реакцій, зумовлених повільними нейтронами, чекало велике майбутнє: без нього не можна було б запустити ядерний реактор. У 1938 році Енріко Фермі був удостоєний Нобелівської премії "За відкриття штучної радіоактивності, викликаної бомбардуванням повільними нейтронами".

Серед великої кількості елементів, які Е. Фермі зі своїми співробітниками опромінювали повільними нейтронами того літа 1934 року, був і уран, що займав тоді останнє місце в таблиці Д. І. Менделєєва. Заряд його дорівнює 92, тому якщо ядро урану захопить нейтрон з наступним випромінюванням електрона, то його заряд збільшиться на одиницю, а уран перетвориться на наступний за ураном "трансурановий елемент" з номером 93.3 дослідів Фермі такий висновок випливав настільки природно, що він відразу ж став науковою сенсацією і надбанням газет. Багато хто з раліохіміків почали пошук "трансуранових" елементів.

Німецькі радіохіміки Отто Ган і Фріц Штрассман у 1937 році повторили досліди Ферми з опромінення урану нейтронами. Детальний хімічний аналіз продуктів, що утворилися після опромінення урану, поставив їх у безвихідь: було зафіксовано барій, лантан, церій — елементи, що знаходяться в середній частині 'таблиці Менделєєва! Нам важко зрозуміти зараз їхнє здивування: уже в школі ми дізнаємося, що ядро урану зазнає поділу, і не бачимо в цьому нічого дивного. Спробуємо, однак, глянути на це явище очима першовідкривачів і, якщо не зрозуміти, то хоча б відчути корінь їхніх сумнівів. Насамперед, вони — хіміки, і хімічний елемент для них — якась надзвичайно стійка індивідуальність, яка залишається неушкодженою, пройшовши через жар і холод, нескінченні розчинення, кристалізації і бурхливі хімічні реакції. Лише недавно вони, на превелику силу, звикли до того, що іноді, у процесі радіоактивного розпаду ядер, один елемент може перетворитися на інший. Але найбільше, чого можна було б у цьому випадку домогтися, — це пересунути елемент у таблиці Менделєєва на одну, максимум на дві клітинки. Але ж порядковий номер барію — 56 — майже вдвічі менший, ніж порядковий номер у рану 11 якщо повірити в те, що барій дійсно утворився з урану, доведеться припустити, що елементи в таблиці Менделєєва можна переміщати, як завгодно, — жоден хімік змиритися із цим не міг.

Зміст результатів, які отримали в Німеччині О. Ган і Ф. Штрассман, розтлумачили Лізе Мейтнер і її племінник Отто Фріш: Гай і Штрассман спостерігали розпад ядра урану внаслідок захоплення ним нейтрона (трохи пізніше вони, на пропозицією біолога У. Арнольда, ввели загальноприйнятий тепер термін "поділ ядра" — за аналогією з поділом клітинии, точнісінько так само, як за чверть століття до них Резерфорд увів поняття "ядро атома" за аналогією з ядром клітини). Але, найголовніше те, що вони відразу зрозуміли, що при такому поділі повинна виділятися величезна енергія: при поділі ядер, що містяться в 1 грамі урану, виділяється енергія, яку можна отримати при спалюваній 3 тонн вугілля!

Із цього моменту події ввійшли в стрімкий і крутий розвиток, і рахунок часу пішов не на роки й місяці, а на тижні й дні. Уже через кілька тижнів явище поділу ядра спостерігали десятки дослідників у багатьох лабораторіях — від Нью-Йорка до Ленінграда.

Обговорюючи явище поділу ядра урану, Енріко Фермі звернув увагу на те, що нейтрони, які виникають при поділі, можуть спричинити наступні акти поділу, тобто в урані можлива ланцюгова реакція. Але ніхто не бачив вибуху внаслідок опромінення урану нейтронами. Н. Бор припустив, що це пов'язано з тим, що ядра урану бувають двох видів: природний уран містить, в основному, важкий ізотоп (99,28 %), а вміст легкого V235- незначний і становить тільки 0,72 %. Повільні нейтрони спричинюють поділ тільки легкого ізотопу , а важкий ізотоп поглинає швидкі нейтрони, що народжуються в процесі поділу, і ланцюгова реакція обривається.

Відразу ж постало три нових питання: Скільки нейтронів і з якою енергією вилітає з ядра урану-235 при кожному поділі? Що відбувається з ядрами ізотопів ура-ну-238 після захоплення нейтрона? За яких умовах можна здійснити незатухаючу ланцюгову ядерну реакцію в урані?

Відповідь на перше питання було отримано через півтора місяці — у березні 1939 року у Франції (Жоліо-Кюрі), Росії (Флеров і Петржак), США (Фермі і Сцил-лард) показали, що при кожному поділі ядра урану-235 вивільняється 2-3 нейтрони із середньою енергією 13 МеВ. Точна кількість нейтронів поділу (2,42), виміряне згодом, залишалося державною таємницею аж до 1950 року.

Намагаючись знайти відповідь на друге питання, установили, що поділ урану-235 найбільш ефективно відбувається, якщо нейтрони уповільнені до дуже малих енергій — 0,04 еВ (такі енергії мають частинки газу, якщо його температура становить близько 100 °С, і тому такі нейтрони називаються "тепловими"). Найбільш ефективно уран-238 захоплює нейтрони, якщо їх енергія становить 6,8 еВ; при цьому уран-238, поглинаючи нейтрон і вивільняючи електрон (Р-розпад), перетворюється на трансурановий елемент непту ній-239.

Таким чином, щоб стала можливою ланцюгова реакція, необхідний сповільнювач нейтронів, який повинен, по-перше, зменшити їх енергію в 10 мільйонів разів — від 1 МеВ, з яким вони вивільняються в процесі поділу ядра урану-235, до енергії 0,1 еВ, і, по-друге, здійснити це так швидко, щоб нейтрони встигли сповільнитися до того, як зіштовхнуться з ядром урану-238. Нарешті, сам сповільнювач не повинен поглинати нейтрони.

Вибір матеріалу для сповільнювача виявився небагатим: вуглець або важка вода D20, тобто вода, у якій водень замінений його важким ізотопом дейтерієм. Важка вода найкраще відповідає вимогам, але її важко добувати: у літрі звичайної води міститься тільки 0,15 г важкої. Із двох можливостей Жоліо-Кюрі (Франція) і Гейзенберг (Німеччина) вибрали важку воду, а Фермі (США) і Курчатов (СРСР) зупинилися на графіті.

Спосіб зниження втрат нейтронів при їх захопленні ураном-238 реалізується в гетерогенному реакторі. Суть ідеї проста й полягає в тому, що замість того, щоб перемішувати рівномірно уран і сповільнювач, потрібно розмістити блоки урану в просторі на деякій відстані один від одного, на зразок атомів у кристалічній решітці, а потім заповнити цей об'єм сповільнювачем. У цьому випадку нейтрони поділу, вилітаючи з блоків урану з енергією 1,3 МеВ, велику частину шляху будуть проходити в сповільнювачі і на той час, коли вони досягнуть іншого блоку урану, уже проминуть небезпечну область енергій (у радянській урановій програмі це явище було названо "блок-ефектом").

Шлях до створення ядерного реактора було відкрито.