Открытие, сделанное в бассейне
Казалось бы, имеется все для создания установки по извлечению энергии ядра: есть уран-235, способный делиться, есть самопроизвольное деление урана, которое дает начало цепной реакции, и, наконец, для поддержания цепной реакции есть большое количество нейтронов, вылетающих при делении.
Если бы, скажем, возникло требование построить атомный реактор мощностью 500 ватт, работающий на протяжении пяти лет, то понадобился бы всего один грамм урана.
Однако нечего надеяться с помощью такого реактора вскипятить воду в чайнике (ведь 500 ватт - мощность обычной бытовой электроплитки), так как в нем не возникнет самоподдерживающейся цепной реакции.
Почему?
В какой-то момент в таком кусочке урана произойдет самопроизвольное деление хотя бы одного ядра. Допустим, при этом вылетят два нейтрона, которые, попав в еаходящиеся рядом два ядра урана, вызовут их деление... По логике вещей, должна получиться цепная реакция. Но быть уверенным в том, что два нейтрона, вылетевшие при самопроизвольном делении первого ядра, попадут в соседние ядра урана, нельзя.
Можео привести такой пример. Попробуйте, встав напротив открытого окна дома, попасть в него хотя бы теннисным мячиком. Можно с уверенностью сказать, что это сделать нетрудно. Но если, скажем, в каком-то заранее неизвестном месте будет подвешен спичечный коробок и попасть в него надо с закрытыми глазами, мячик, пожалуй, придется бросать несколько тысяч раз.
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.