4.7. Цепная реакции деления. Проблемы её использования
Реакция деления, как оказалось, может происходить и без удара ядра нейтроном. Изотоп урана 92U235 может делиться спонтанно, самопроизвольно. Это открытие было сделано в 1940 году Флёровым и Петржаком в Ленинграде.
Цепная реакция не наблюдается в природном уране не потому, что для её начала нужно расколоть хотя бы одно ядро, которое послужило бы началом реакции. Очевидно, что в природном уране нет условий для протекания реакций в цепном виде, а встречаются лишь единичные акты деления урана.
Причина этого была найдена очень легко: способный к делению изотоп U235 содержится в природном уране в ничтожном количестве — 0,7%. Поэтому образовавшиеся при делении свободные нейтроны попадают не в его ядра, а в ядра урана-238 и застревают в нём, не достигнув ядер урана-235. Реакция спонтанного деления оказывается однократной. Получить чистый U235 практически невозможно: методы разделения изотопов, описанные в главе 4.2 очень длительны и дорогостоящи. Поэтому содержание урана-235 увеличивают лишь в 15–20 раз, что, конечно, недостаточно для прохождения цепной реакции. При 10%-ной концентрации делящихся атомов нейтроны, образовавшиеся при расколе одного из них, все равно попадают в ядра U238. Ситуация поясняется рис. 4.7, где тёмными кружочками показаны атомы делящегося изотопа — один такой атом приходится на десять атомов тяжёлого изотопа (светлые кружочки).
Выход был найден благодаря одной особенности U238 — он поглощает лишь быстрые нейтроны, поскольку его ядро достаточно крепкое. Медленные нейтроны, ударившись об него, отскакивают без потери скорости. Нейтроны, образовавшиеся при расколе ядра — быстрые. Пусть скорость их будет υ1. Если нейтроны с этой скоростью ударяют в ядра U238, то они будут поглощены ядрами и реакция окажется однократной.
Если же на пути быстрых нейтронов поставить замедлитель, тормозящий нейтроны до скорости υ2, то при ударе об U238 они испытают один либо несколько абсолютно упругих ударов, изменяющих лишь направление их скорости. Нейтроны не будут поглощены и, в конечном итоге, могут попасть в ядро U235, вызвав его деление.
На рис. 4.7 показана схема самопроизвольного деления ядра № 1 урана-235. Из него вылетели со скоростями υ1 три свободных нейтрона. Два из них, встретив замедлитель (серые чёрточки), понизили свои скорости до υ2, в результате чего после многократных отражений попали в делящиеся ядра. Один нейтрон, ударившись в U238, был поглощён им. Реакция деления оказалась неоднократной. Она вызвала деление ещё двух ядер, т.е. приобрела цепной характер.
Остается пояснить способ замедления нейтронов, понижения их скорости от υ1 до υ2 . Этого вопроса мы касались в [15, гл.3.3], рассматривая удары шаров. При упругом ударе шаров одинаковой массы они обмениваются скоростями. Если массы разные, скорости распределяются обратно пропорционально их массам. Значит, если на пути летящего нейтрона поместить соразмерный ему неподвижный протон (атом водорода), нейтрон остановится, а протон получит его скорость. В рассматриваемом случае нейтрон останавливаться не будет, так как протон будет иметь скорость теплового движения. Она-то как раз и нужна нейтрону. Но водород может поглотить нейтрон и превратиться в тяжёлый водород — дейтерий. Поэтому для замедления нейтронов простой водород не подходит. В некоторых исследовательских атомных реакторах в качестве замедлителя используется тяжёлая вода D2O. Дейтерий, входящий в состав молекулы тяжёлой воды, не поглощает нейтроны и эффективно их замедляет.
Однако получение тяжёлой воды из обычной Н2О — очень энергоёмкий, длительный и дорогостоящий процесс. Перебирая легкие элементы, следующие за водородом, нетрудно убедиться, что в твёрдом состоянии при комнатной температуре находятся бериллий, бор и углерод.
Последний существенно более распространён, поэтому именно его в основном и используют в качестве замедлителя нейтронов (бор не годится, так как сильно поглощает нейтроны). Рабочая зона промышленного ядерного реактора представляют собой совокупность стержней, выполненных из обогащенного урана. Эти стержни помещаются в отверстия, выполненные в графитовых блоках. Между урановыми стержнями вводятся также стержни из кадмия или бора, которые хорошо поглощают тепловые нейтроны. Изменяя глубину погружения этих стержней в реактор, можно управлять интенсивностью реакции.Вернёмся к событиям, которые происходят с ядром U238, в которое проник быстрый нейтрон. Это ядро превращается в b-активный изотоп урана U239, который с периодом полураспада 24 мин превращается в нептуний, испуская электрон. Нептуний, в свою очередь, тоже испускает электрон, и через 2,5 суток половина его атомов превращается в плутоний (см. реакции (4.4) и (4.5)), который оказался способным к реакции деления.
Выделяя плутоний из отработанных урановых стержней обычным химическим методом, получают чистый плутоний. В нём цепная реакция протекает без замедлителей, он пригоден для проведения реакции как в управляемом, так и во взрывном виде.
Особенности осуществления реакции деления порождают проблемы её использования в качестве топлива.
1. Сама природа реакции такова, что она приводит к появлению множества искусственных радиоактивных изотопов, в том числе и долгоживущих изотопов инертных газов (см. рис 4.5). Последние, в силу своей химической пассивности, практически не улавливаются и распространяются в атмосфере, неуклонно повышая радиоактивный фон планеты. Остальные отходы хранятся в могильниках и непрерывно выделяют тепло, греются, т.е. требуют постоянного внимания в течение очень длительного времени, так как периоды полураспада некоторых изотопов — десятки тысяч и миллионы лет, что представляет весьма серьезную проблему для будущего человечества.
2. Накопление плутония опасно тем, что из него можно сделать атомную бомбу, что приводит к реальной опасности ядерного терроризма.
3. Третья проблема связана с опасностью аварий не только на АЭС, но и в хранилищах, где радиоактивные превращения могут привести, и приводят (авария на комбинате "Маяк" в 1957 г.) к образованию взрывной смеси.
Формулируя эти три проблемы, академик П. Л. Капица [17] подчеркивал (ещё до Чернобыля), что опасность аварии никогда не может быть учтена полностью из-за роли человеческого, случайного фактора.
Следует учесть ещё и то, что, несмотря на малые объёмы потребляемого топлива (килограммы вместо сотен тонн) получаемая на АЭС электроэнергия — самая дорогостоящая. В её стоимость следует включать не только высокую стоимость ядерного горючего, но и стоимость хранилищ для отходов, и необходимость захоронения самого реактора через 30–50 лет работы.
Заканчивая раздел 4.4, мы отмечали, что к радиоактивным ионизирующим излучениям относят α, β и γ частицы, которые выбрасываются ядром при его распаде. Теперь же, после рассмотрения реакции деления, ясно, что в состав проникающего радиоактивного излучения следует включить еще и нейтроны. Они, наряду с гамма–лучами, обладают несравненно большей проникающей способностью, чем остальные частицы.