Ядерные реакторы - [14]

В одном килограмме урана содержится около 2,46∙10²⁴ ядер. Если все ядра разделятся, то при этом выделится 200∙2,46∙10²⁴=4,92∙10²⁶ Мэв.

Для того чтобы пересчитать эту энергию в более знакомые нам единицы, надо учесть, что 1 Мэв равен 4,5∙10^-20 киловатт-часа. Деление одного килограмма урана дает 22 миллиона киловатт-часов энергии, что равноценно теплу, получающемуся при сгорании 2,5 тысячи тонн угля.

Но не это самое важное. Физики знают ядерные реакции, которые дают бóльшую энергию. Например, в реакции образования гелия, о которой говорилось раньше, выделяется в восемь раз большая энергия, чем при делении урана. Самое существенное в реакции деления заключается в том, что, кроме двух обладающих большой энергией «осколков», в этой реакции выделяется еще два или три новых нейтрона, а эти нейтроны могут произвести деление соседних ядер урана. Таким образом, в уране может быть осуществлен цепной процесс (рис. 11).

> Рис. 11. Цепной процесс в уране. Процесс развивается лавинообразно

Два нейтрона, получающиеся в результате первого деления, могут произвести деление еще двух ядер урана. Появятся уже четыре нейтрона, которые разделят четыре ядра, и т. д. Процесс развивается лавинообразно и мгновенно. Все ядерные процессы очень быстры, поскольку при малых междуядерных расстояниях скорость частиц, производящих ядерные реакции, обычно очень велика.

Так, например, скорость нейтронов, получающихся при делении, достигает 20 тысяч километров в секунду. Такая частица за полсекунды может преодолеть путь от Москвы до Владивостока! Поэтому достаточно миллионной доли секунды для того, чтобы в большом куске урана возник цепной процесс с огромным выделением энергии. А выделение большого количества энергии за короткий промежуток времени есть взрывной процесс. Этим и отличается взрыв от всякого другого метода получения энергии.

Но в природном уране такой цепной процесс не идет. Природный уран состоит в основном из двух изотопов: урана²³⁸ и урана²³⁵. Причем на тысячу ядер природного урана приходится всего только семь ядер урана²³⁵.

Оказалось, что цепной процесс может идти только в чистом или почти чистом уране²³⁵. Ядра урана²³⁵ делятся как медленными, так и быстрыми нейтронами. А ядра урана²³⁸ делятся только очень быстрыми нейтронами.

Такие быстрые нейтроны, правда, освобождаются при делении урана, но после нескольких столкновений с ядрами они теряют свою скорость и не могут произвести деления ядер урана²³⁸. Ядра тяжелого изотопа урана очень жадно поглощают нейтроны, обладающие средней, так называемой резонансной энергией. При этом деления ядра урана²³⁸ не происходит.

Нейтроны, получающиеся в природном уране после деления, в 99 случаях из 100 попадают в ядра урана²³⁸ и там поглощаются. Это обстоятельство препятствует возникновению цепного процесса в природном уране.

Для осуществления этого процесса необходимо отделить от природного урана основную часть урана²³⁸, то есть разделить изотопы.

Трудная задача. Если мы имеем смесь каких-нибудь веществ, то химики с помощью ряда операций легко могут разделить эти вещества. Но для разделения изотопов химические реакции бесполезны. По своим химическим свойствам изотопы не отличаются друг от друга. Получение отдельных изотопов в чистом виде имеет особое значение сейчас, когда становится ясной их роль в получении и использовании атомной энергии.

Разделение изотопов оказалось очень трудной задачей. Здесь можно использовать только различие масс их атомов и ядер. Но это различие заметно только у изотопов самых легких элементов; у тяжелых изотопов это отличие незначительно.

Так, например, у водорода разница в массах тяжелого (дейтерия) и легкого изотопов составляет 100 процентов, а у урана — всего 1,3 процента. И все-таки во всех известных в настоящее время методах разделения изотопов урана используют это различие в массах.

Предположим, что требуется разделить газ, состоящий из двух сортов молекул. Если температура во всех точках пространства, заполненного газом, будет одинакова, то средняя энергия хаотически движущихся молекул обоих сортов будет также одинакова, то есть —

. Отсюда получается, что —

, то есть средние скорости молекул обратно пропорциональны корням квадратным из их масс.

Если это соотношение применить к атомам урана, то получим, что скорость атома урана²³⁵ будет в 1,0065 больше скорости атомов урана²³⁸.

Различие в скоростях весьма мало, но все же его можно использовать для разделения изотопов урана в методе газовой диффузии. Принцип этого метода не сложен. Представим себе сосуд, разделенный перегородкой с мельчайшими порами. Если в одну часть этого сосуда впустить газообразный шестифтористый уран (есть такая соль урана), то молекулы, содержащие уран²³⁵, будут быстрее проникать через пористую перегородку и во второй половине сосуда газ будет содержать несколько большее количество легкого изотопа.

Наиболее простая диффузионная ячейка такого рода изображена на рис. 12. Ячейка состоит из трубки с пористыми стенками, помещенной внутри широкого сосуда, в котором с помощью насосов поддерживается вакуум. Газ, состоящий из двух сортов молекул различной массы, втекает в ячейку. Часть этого газа, прошедшая через пористую перегородку, имеет немного увеличенное содержание легких молекул. В конец ячейки поступает газ с большим содержанием тяжелых молекул.