16.7. Ланцюгова ядерна реакція поділу урану

Величезна важливість відкриття поділу урану дуже швидко стала зрозумілою. При поділі урану має виникати значний надлишок нейтронів, двадцять чи більше, оскільки відношення кількості нейтронів N в ядрі урану до кількості протонів Z у ньому N/Z=1,59, а з нього утворюються два атоми елементів середини періодичної системи, що попадають у свою область стабільності з відношенням N/Z = 1,2–1,4 після випромінювання ними нейтронів.

Було встановлено, що випромінювання нейтронів відбувається при поділі миттєво. Хоч надлишок відношення N/Z зникає, в основному за рахунок послідовних перетворень продуктів поділу, атом урану випромінює також і деяку кількість нейтронів (2–3). Самі продукти поділу також випромінюють нейтрони: чотири групи нейтронів, що відповідають продуктам із періодами напіврозпаду 2,5; 7; 24 і 57 с, випромінюються слідом за основним поділом, але лише біля 1% всіх нейтронів випромінюються із затримкою, рівною 0,01 с. Ці вторинні нейтрони, не дивлячись на їх незначну кількість, відіграли надзвичайно важливу і корисну роль в управлінні штучним процесом поділу і в контролі за ним, оскільки саме вони дозволили зробити процес поділу самопідтримуваним. Середня енергія основної групи випромінюваних нейтронів ≈1 МеВ, а втрата ядрами свого нейтронного надлишку є процесом, подібним до випаровування краплі рідини.

Після встановлення цих фактів з’явилась можливість здійснити такий поділ урану, коли він, один раз розпочавшись, продовжувався б спонтанно без додаткових зовнішніх впливів, так само, як в процесі горіння чи детонації відбуваються хімічні перетворення. Оскільки при розпаді кожного атома урану виникають декілька високоенергетичних нейтронів, які у свою чергу викликають поділ сусідніх атомів урану, то контрольований процес може йти рівномірно, як горіння, у противному випадку відбудеться страшний вибух, у багато мільйонів разів потужніший, ніж будь-який із відомих хімічних вибухів.

Вважалось, що уран має масове число 238, і це призвело до плутанини при аналізі результатів опромінення урану повільними нейтронами. Повна ясність прийшла після відкриття, що природний уран містить ізотоп з масовим числом 235, який ділиться, і ізотоп з масовим числом 238, з якого за допомогою резонансного процесу (n, γ) можуть виникати трансурани. У перший період розглядався лише уран-238. У листі О. Фріша О. Гану від 6 червня 1939 р. читаємо: «Я поговорю з професором Н. Бором щодо важливості запропонованої Вами перевірки гіпотези про уран-235. Я чув, в Америці хочуть провести часткове розділення цих двох ізотопів, що полегшило б перевірку...». Саме Нільс Бор виступив з гіпотезою, що поділ ядер урану повільними нейтронами відбувається лише у випадку урану-235.

У цей же час розпочинається обговорення можливості вибухової ланцюгової реакції при поділі урану нейтронами, що звільняються, а також технічної ядерної енергії. Цікаво, що Н. Бор у листі до Л. Мейтнер ще від 12 липня 1939 р. стверджував, що резонансне поглинання нейтронів поділу ізотопом уран238 може привести до швидкого припинення ланцюгової реакції.

Основи теорії ланцюгової ядерної реакції поділу були закладені трьома працями Я.Б. Зельдовича і Ю.Б. Харитона, опублікованими ще до другої світової війни. У першій із цих праць «До питання про ланцюговий розпад основного ізотопу урану» фізика процесу ланцюгового поділу розглядається в нескінченному середовищі, що означає відсутність витоку нейтронів із системи. Було показано, що експериментальні значення кількості нейтронів у розрахунку на один поділ і відповідних перерізів такі, що ланцюгова ядерна реакція поділу в урані-238 відбуватися не може.

Цей висновок був одержаний як для металевого урану, так і для U3О8, для якого підкреслювалась роль розсіювання на кисні, що утруднювало перебіг ланцюгової реакції. У цій праці вперше була показана неможливість ланцюгової ядерної реакції поділу під дією швидких нейтронів у природному урані, отже, як вибухова речовина природний уран відпав.

У другій праці Я.Б. Зельдовича і Ю.Б. Харитона «Про ланцюговий розпад урану під дією повільних нейтронів» розглядається ланцюгова ядерна реакція поділу в природному урані, коли основний поділ здійснюється в урані-235. Реакція поділу урану-235 проходить інтенсивніше при зменшенні енергії нейтронів і не є пороговою (переріз цієї реакції обернено пропорційний швидкості нейтрону). Тому для створення сприятливих умов перебігу ланцюгової реакції в урані-235 необхідно нейтрони уповільнити. Але уран – важкий елемент, так що при розсіюванні на ядрах атомів урану нейтрон втрачає дуже невелику частину своєї енергії. Тому необхідно ввести в уран уповільнювач нейтронів (розглядається однорідна суміш атомів урану і водню).

При захопленні одного повільного нейтрона ядром урану і його поділі випромінюється νшвидких нейтронів. Щоб ці нейтрони ефективно захопились з поділом урану-235, їх необхідно уповільнити. Але в процесі уповільнення енергія нейтронів проходить область, в якій дуже ймовірне захоплення нейтрона ураном-238. Це захоплення відбувається без поділу, і для ланцюгової ядерної реакції поділу захоплений нейтрон втрачений. Окрім того, нейтрон може бути захоплений при уповільненні атомами уповільнювача. Імовірність втрати нейтрона у цих процесах визначає величину коефіцієнту розмноження нейтронів К у нескінченному середовищі суміші палива (уран-235) і уповільнювача (води). Я.Б. Зельдович і Ю.Б. Харитон показали, що ланцюгова ядерна реакція поділу в суміші урану і водню неможлива: для її здійснення необхідно використовувати або уран, збагачений ураном-235 не менш ніж до 1,3%, або легкі уповільнювачі, що поглинають нейтрони не так інтенсивно, як водень (наприклад важку воду D2О).

Не менш важлива і третя праця Я.Б. Зельдовича і Ю.Б. Харитона «Кінетика ланцюгового розпаду урану». Вона присвячена вивченню системи, що містить ядра, котрі діляться, поблизу стану критичності, тобто такого стану, коли розпочинається ланцюгова реакція, яка розвивається. Необхідно вибрати таке співвідношення об’ємів ядерного палива і уповільнювача, щоб розмноження нейтронів у цьому середовищі було максимальним. Змінюючи це співвідношення, можна одержати коефіцієнти розмноження нейтронів К=1; К<1 і К>1. При К=1 виникає самопідтримувана ланцюгова ядерна реакція поділу, але середовище, яке розмножує нейтрони, досить чутливе до зміни своїх властивостей. При перебігу самопідтримуваної ланцюгової ядерної реакції процес поділу урану-235 приводить до зменшення його концентрації (вигорання), атоми – продукти поділу – розпочинають поглинати нейтрони і коефіцієнт розмноження нейтронів стає меншим одиниці (К<1), настає так званий підкритичний стан. Це призводить до затухання і припинення процесу самопідтримуваної ланцюгової ядерної реакції поділу. Вона могла б продовжуватись, якби ввести у систему нейтрони від зовнішнього джерела. Окрім того, в процесі розвитку самопідтримуваної ланцюгової ядерної реакції при поділі ядра урану-235 виділяється теплова енергія, яка призводить до теплового розширення палива і уповільнювача, зменшення їх густини, тобто до падіння концентрації атомів урану-235 і атомів водню у воді. Це приводить до зменшення кількості поділів урану-235 (і падіння концентрації нейтронів) і зниження уповільнюючої здатності води, що реалізується в процесі зіткнень нейтронів з атомами водню. Внаслідок цього процес самопідтримуваної ланцюгової ядерної реакції поділу затухає і припиняється.

Якщо коефіцієнт розмноження нейтронів у середовищі ядерне паливо + уповільнювач більший одиниці (К>1), то система надкритична і концентрація нейтронів зростає дуже швидко (за експоненціальним законом). Запізнілі нейтрони, що випромінюються атомними ядрами – осколками поділу ядра урану-235 – зі значним спізненням стосовно моменту поділу (від часток секунди до десятків секунд), вирівнюють різке збільшення концентрації нейтронів, що дозволяє регулювати проходження процесу в інтервалі значень коефіцієнта розмноження нейтронів 1<K<1+β, де β – частка запізнілих нейтронів (до 1% нейтронів, випромінюваних при поділі).

Таким чином, у цих трьох працях викладені найбільш принципові моменти теорії ланцюгової ядерної реакції поділу і встановлено, що:

1) у природному урані ланцюгова ядерна реакція поділу на швидких нейтронах в урані-238 проходити не може;

2) на реалізацію ланцюгової ядерної реакції на повільних нейтронах за рахунок поділу урану-235 впливає резонансне поглинання нейтронів в урані-238;

3) резонансне поглинання нейтронів при уповільненні послаблюється і пропорціональне кореню квадратному із концентрації урану-235;

4) у суміші природного урану і водню ланцюгова реакція неможлива; для здійснення ланцюгової ядерної реакції у цьому випадку необхідне збагачення ураном-235 або використання уповільнювача з меншим поглинанням нейтронів (наприклад важкої води D2O);

5) поблизу стану критичності кінетика наростання концентрації нейтронів пом’якшується через наявність запізнілих нейтронів.

Таким був рівень теорії ланцюгової ядерної реакції, досягнутий напередодні другої світової війни. Після цього густа завіса тайни закрила ядерні дослідження. В офіційному звіті уряду США повідомлялось: «Деякі роботи Фермі та Сціларда змушують думати, що елемент уран може стати новим важливим джерелом енергії... що можна було б використати при створенні бомби величезної потужності».

З цього часу спроби добувати атомну енергію з урану мали дві мети: створення надпотужної вибухової речовини і кероване уповільнене звільнення енергії для промислових потреб. Невідкладною в той період світової історії вважалась перша мета. Кожен з цих напрямків вимагав розробки свого технологічного процесу. Роботи розпочались у двох напрямках (особливо у США), однак незабаром виявилось, що найбільш швидким способом досягнення першої мети є здійснення другої. Згодом ці напрямки розвивались паралельно і обидва технологічні процеси майже у рівній мірі сприяли досягненню воєнної мети.

Розділення двох ізотопів урану з масовими числами 235 і 238 було необхідною умовою досягнення воєнної мети. Атомна бомба вимагала величезної кількості чистого урану-235, але він становить всього 0,714% природного урану. Оскільки маси ізотопів урану близькі, а хімічні властивості їх однакові, то виділення урану-235 із природної суміші ізотопів технологічно є досить важким завданням. При повільному одержанні енергії потрібні великі кількості урану, і тут як побічний продукт одержується плутоній-239:

який так само, як і уран-235, ділиться під дією нейтронів. Таким чином, виникла ідея «атомного котла», названого так через простоту його конструкції. Ця назва тепер витіснена більш відповідною назвою «ядерний реактор». Завданням «атомного котла» було виробництво плутонію для атомної бомби. У цьому процесі необхідно було підтримувати ланцюгову ядерну реакцію поділу на урані-235, з одного боку, і забезпечити резонансне захоплення нейтронів ураном-238 з утворенням плутонію, з другого. Тому потрібно було швидко виводити швидкі нейтрони поділу із маси урану, уповільнювати їх, відбираючи кінетичну енергію, і знову направляти їх в уран уже тепловими нейтронами, щоб викликати поділ урану-235. Функцію уповільнювачів нейтронів могли виконати атоми легких елементів, у зіткненні з якими нейтрони втрачають значну частину своєї енергії, не викликаючи у той же час зміни цих атомів. У той період були відомі дві речовини, придатні для цієї мети, – важка вода D2О і вуглець. Через високу ціну важкої води зупинились на вуглецю у вигляді графіту.