Термоядерное оружие - [25]

0n >1 + >92 U >238 = >92 U >239 +γ.

Избыток энергии выделяется при этом в виде гамма-излучения. Изотоп U²³⁹ радиоактивен. Он распадается, испуская бета-частицы, период его полураспада равен 23,5 минуты. Распад U²³⁹ происходит по уравнению

>92 U >239 → >93 Np >239 + >-1 β >0

Образовавшийся элемент № 93 получил название нептуний. Изотоп нептуния Np²³⁹ также радиоактивен. Его период полураспада равен 2,3 дня. Распадаясь, он выбрасывает бета-частицу по уравнению

>93 Np >239 → >94 Pu >239 + >-1 β >0

В результате бета-распада нептуния образуется изотоп нового элемента — плутония.

Искусственно получаемый изотоп плутония ₉₄Pu²³⁹ приобрел огромное значение в атомной технике. Объясняется это тем обстоятельством, что он является прекрасным ядерным горючим, может производиться в достаточно больших количествах из доступного сырья и хотя является неустойчивым, но распадается с испусканием альфа-частиц очень медленно: его период полураспада равен 24 000 лет.

Для производства плутония необходимо каким-нибудь способом получать медленные нейтроны и бомбардировать ими уран 238. Такие процессы осуществляются в ядерных реакторах. Часть образующихся при этом нейтронов замедляется специальным замедлителем и поглощается ураном 238. Получающийся уран 239 распадается с образованием нептуния 239, а последний в свою очередь, распадаясь, превращается в плутоний 239. Так как в качестве основного исходного продукта в большинстве работающих в настоящее время ядерных реакторов применяется уран, то эти установки называются урановыми реакторами (или котлами).

Схема ядерного реактора приведена на рис. 20. Центральная часть реактора, его активная зона, состоит из графитового замедлителя — кирпичей 1, в которых имеются каналы. В эти каналы вставляются тепловыделяющие элементы 2, представляющие собой стержни или пластины, изготовленные из обогащенного урана. Блоки урана имеют небольшие размеры, так что быстрые нейтроны, образующиеся при делении урана 235, вылетают из тепловыделяющих элементов наружу и попадают в графит.

> Рис. 20. Схема ядерного реактора:

> 1 — графитовый замедлитель нейтронов; 2 — урановый тепловыделяющий элемент; 3 — компенсирующий стержень; 4 — стержень для регулировки мощности реактора; 5 — отражатель нейтронов; 6 — бетонная стена для поглощения излучений; 7 и 8 — трубы, подводящие и отводящие охлаждающую жидкость

Графит почти не поглощает нейтроны и является хорошим замедлителем. Сталкиваясь с ядрами углерода, из которого состоит графит, нейтроны теряют энергию и после нескольких десятков столкновений двигаются со сравнительно малой скоростью. Медленные нейтроны, попадая в тепловыделяющие элементы, поглощаются ураном 235 и вызывают его деление. При каждом делении урана 235 взамен одного поглощенного нейтрона образуется два или три новых. Поэтому при правильно рассчитанной конструкции реактора в нем может возникнуть цепная реакция.

Предположим, что в ядерном реакторе имеется 100 нейтронов. Если это «поколение» нейтронов в результате поглощения ураном и других процессов исчезает и вместо него при делении ядер урана образуется новое поколение, например 101 нейтрон, то число нейтронов в результате цепной реакции с течением времени будет возрастать. При этом выделяется огромное количество энергии, тепловыделяющие элементы и графит так быстро разогреваются, что может произойти серьезная авария. Чтобы исключить такую возможность, в графитовой кладке заранее оставляют каналы, в которые погружают специальные компенсирующие стержни3. Эти стержни изготовляют из материалов, которые хорошо поглощают медленные нейтроны. В качестве таких материалов можно применять металлы: кадмий или гафний, а также бористую сталь или карбид бора.

Для регулировки процесса в ядерном реакторе служат изготовленные из вышеуказанных материалов специальные регулировочные стержни4, также перемещающиеся в каналах в графитовой кладке.

Часть медленных нейтронов, беспорядочно двигающихся в графитовом сердечнике, подходит к поверхности кладки, вылетает из нее наружу и не принимает больше участия в цепной реакции. Для борьбы с утечкой нейтронов из реактора сердечник последнего окружается толстым слоем графита 5, который играет роль отражателя нейтронов. Благодаря отражателю ядерное топливо в урановом котле используется значительно полнее.

При делении урана образуются гамма-лучи, уносящие с собой часть освобождающейся энергии. Гамма-лучи испускаются также при распаде радиоактивных изотопов, образующихся при делении урана. Гамма-лучи, попадая в организм человека, животных и растений, в значительных количествах оказывают вредное биологическое действие. Вредно действуют на человека и животных также нейтроны, которые в большом количестве образуются в ядерном реакторе.

Для защиты обслуживающего персонала от гамма-лучей и нейтронов ядерный реактор окружается толстой стеной 6 из специального бетона.

Мы знаем, что при делении урана освобождается большое количество энергии, значительная часть которой выделяется в виде тепла. Ядерный реактор, в котором делится 1 кг урана в сутки, развивает тепловую мощность около 1 млн. квт. Если выделяющееся тепло не отводить, то реактор вскоре перегреется, отдельные части его расплавятся и произойдет авария. Поэтому существенной частью каждого ядерного реактора является система охлаждения. На рис. 20 показана труба