§ 217б. Цепная реакция

Реакция, происходящая с ураном-235, известна в деталях. Уран-235 является единственным естественным изотопом, позволяющим осуществить выделение энергии в промышленных количествах.

Так как для реакции деления нужны нейтроны, а нейтронного газа в природе не существует, то выделение энергии в больших

количествах может быть осуществлено лишь при одном условии — образовании цепной реакции, в процессе которой непрерывно создавались бы новые нейтроны. Именно так и происходит деление ядер урана-235. При каждом делении освобождается несколько нейтронов; при этом число выбрасываемых нейтронов может быть различным. В среднем на одно деление приходится 2,5 нейтрона. Если нейтроны, образующиеся при делении одного ядра, будут способны делить ядра других атомов урана, то цепная реакция осуществится.

Так как нейтроны имеют значительную длину свободного пробега, то образовавшиеся при делении ядра урана-235 нейтроны имеют большие шансы покинуть вещество, не произведя деления других ядер. Кроме того, следует учесть, что не всякая встреча нейтрона с ядром урана-235 приведет к делению.

Развитие цепной реакции зависит от коэффициента размножения нейтронов. Теоретически можно рассчитать значение этого коэффициента Ко для случая системы бесконечно больших размеров. Для расчета надо иметь сведения о размножении числа нейтронов за счет деления на медленных и быстрых нейтронах, а также о вероятностях захвата нейтронов ядрами неделящихся веществ.

Значение коэффициента большее единицы, указывает, насколько следующее поколение нейтронов многочисленнее предыдущего.

Однако реактор имеет конечные размеры. Поэтому коэффициент размножения нейтронов для реактора должен быть записан в виде вероятность вылета нейтрона за пределы реактора. Чтобы реактор начал работать, необходимо, чтобы коэффициент К был больше единицы. Во время работы реактора коэффициент размножения К должен в точности равняться единице.

Размеры системы, содержащей ядерное горючее, называются критическими, если коэффициент размножения для нее равен единице.

Можно регулировать коэффициент размножения на основе следующих соображений. Вероятность встречи нейтрона с другим ядром до вылета из вещества можно увеличивать, собирая вместе большие количества ядерного горючего. Необходимо также довести до минимума число атомных ядер, обладающих способностью поглощать и, таким образом, выводить из реакции нейтроны. Увеличение вероятности захвата может быть достигнуто за счет замедления нейтронов. При делении из ядра вылетают быстрые нейтроны, в то время как ядро урана-235 лучше всего захватывает медленные, так называемые тепловые нейтроны.

Особенность урана-235 заключается в том, что его ядра делятся как под действием быстрых (хотя и с меньшей вероятностью), так и под действием медленных нейтронов. Если ядра какого-либо вещества делятся под действием одних лишь быстрых нейтронов, то осуществление с ними цепной реакции становится невозможным: нейтрон, вышедший из разделившегося ядра и испытавший незначительное замедление благодаря одному-двум случайным,

не приведшим к делению столкновениям, уже выходит из цепной реакции.

В настоящее время к ядерным горючим относятся, прежде всего, такие вещества, которые позволяют осуществить цепную реакцию с медленными нейтронами. К таким веществам относится единственный изотоп уран-235 и два искусственных элемента: плутоний-239, получающийся из урана-238, и уран-233, получающийся из тория-232.

Для того чтобы цепная реакция началась, нужно лишь собрать в ограниченном объеме количество ядерного горючего, превосходящее некоторый минимум. О первом нейтроне заботиться не приходится: благодаря космическому излучению в атмосфере всегда имеется незначительное количество нейтронов. Кроме того, надо иметь в виду явление так называемого спонтанного (т. е. происходящего под действием внутренних сил, самопроизвольного) деления, открытое советскими исследователями Флеровым и Петржаком; оказывается, что изредка деление ядра урана-235 может происходить и без захвата нейтрона. Наконец, радиево-бериллиевая смесь может также служить источником начальных нейтронов.