Вот что при этом происходит. Сначала уран – 238 захватывает нейтрон:
U23892 +n10→
U23992
Образующийся изотоп урана (уран - 239) бета – активен. Он распадается и
образует трансурановый элемент – нептуний:
U23992→Np23993+β.
Нептуний в свою очередь также бета – активен. Он живёт недолго, его
период полураспада всего лишь 2,4 дня. При этом возникает ещё один
трансурановый элемент – плутоний:
Np23993→Pu23994+
β.
Плутоний, также как и уран – 235, прекрасно делится под действием самых
разнообразных нейтронов. В этом смысле он очень ценный элемент.
Основной изотоп, который используется в ядерных установках, - это уран
– 235. Чем меньше энергия нейтронов, тем лучше он их захватывает. поэтому для
того чтобы нейтроны захватывались преимущественно этим изотопом, а не изотопом
уран – 238, их надо замедлить: ведь при делении ядер урана выделяются довольно
быстрые нейтроны.
Итак, чтобы создать установку, в которой освобождалось бы большое
количество энергии, надо собрать воедино много атомов урана – 235 или создать
такие условия в природном уране, чтобы ядра урана – 238 «оставляли в покое»
нейтральные частички и они захватывались бы только ураном – 235.
Тогда на смену захваченным нейтронам будут приходить новые,
освободившиеся при делении. Всё большее и большее число ядер разделится всё
больше энергии выделится, и всё больше появится новых нейтронов. Так начинается
цепная реакция.
Представьте себе, что перед нами некоторое количество урана – 235. При
самопроизвольном делении там рождаются нейтроны. Поскольку перед нами уран –
235, неважно, какая у этих нейтронов скорость. Они обязательно разделят ядра
урана, и при этом появятся новые нейтроны. С каждым разом число нейтронов будет
всё больше, больше будет и делений. Как снежный ком начнёт увеличиваться эта
нейтронная лавина. В результате – колоссальный взрыв. Вот что может произойти в
уране – 235.
Поскольку неконтролируемая
цепная реакция кончается взрывом, её используют только в военных целях.
Но обязательно ли в куске
чистого урана – 235 возникнет цепная реакция, которую нельзя остановить?
Конечно нет!
Увеличение числа нейтронов в делящемся веществе можно характеризовать
так называемым коэффициентом размножения. Этот коэффициент показывает, во
сколько раз больше нейтронов появится после поглощения очередной их порции.
Если этот коэффициент >1, поток будет всё время расти и последует взрыв.
Если урана немного, Часть нейтронов будет уходить из него и уже никогда
не возвратится обратно. Поэтому и взрыва никакого там быть не может. Такое
количество урана, в котором уже может возникнуть взрывная реакция называется
критической массой. Коэффициент размножения в массе урана меньшей критической
не достигает 1.
Но если соединить две массы, каждая из которых немногим меньше этой
величины, то масса сразу станет больше критической коэффициент размножения
вырастет и разовьётся неуправляемая цепная реакция. Произойдёт атомный взрыв.
Как же так? Почему же тогда не взрывается природный уран, почему он
спокойно лежит на складах? Ведь десятки тонн этого металла хранились и
хранятся, не вызывая никаких опасений.
Дело в том, что в природном уране захват нейтронов ураном – 238 всегда
будет превосходить деление в уране – 235. Никогда здесь коэффициент размножения
не может стать >=1. Цепная реакция в куске природного урана любой величины
невозможна.
Для нужд энергетики, для постоянного использования внутриядерной
энергии необходимо создать в уране управляемую цепную реакцию. Что это значит?
Раз цепная, значит, она должна сама себя поддерживать. Далее идёт слово
«управляемая»; оно означает, что реакция не должна нарастать, что число делений
ядер урана не должно увеличиваться. Мы хотим добиться такого положения, чтобы в
каждый момент времени было постоянное количество делений и чтобы мы могли по
своему усмотрению менять это количество. Захотели – сделали его больше,
захотели – меньше. Число делений - это энергия, которая выделяется в уране в
единицу времени. Значит речь идёт о мощности.
Итак, управляемая цепная реакция – такая, в которой постоянна мощность
и в которой мы умеем эту мощность по нашему желанию изменять.
Для освобождения ядерной энергии надо иметь «горючий» материал. В
данном случае им будет уран. Теперь надо или выделить из природного элемента
изотоп уран – 236 или работать на природном уране. Во 2 случае придётся
искусственно замедлять нейтроны, чтобы их захватывал только уран – 235.
Нейтроны замедлятся при столкновении с ядром. Чем легче сталкивающееся с
нейтроном ядро, тем больше энергии может он при этом передать.