Ядерные реакторы - [15]
Благодаря малому различию атомных весов изотопов урана изменения изотопного состава газа в обоих сосудах очень малы. Поэтому для получения почти чистого урана>235 и полного извлечения его из природного урана нужны тысячи таких ступеней разделения.
Другой способ основан на явлении так называемой термодиффузии газов. Если в сосуде, наполненном шестифтористым ураном, создать большой перепад температуры, то благодаря различию скоростей частиц газ, содержащий тяжелый изотоп, будет скопляться в холодной, а легкий — в горячей части сосуда. Здесь для достаточно эффективного разделения изотопов урана тоже необходимо очень много ступеней очистки.
На совершенно другом принципе основан электромагнитный способ разделения. В основе этого метода лежит принцип масспектрографа, с помощью которого производились измерения масс различных изотопов. Смесь ионов различных изотопов ускоряют в электрическом поле и направляют между полюсами сильного электромагнита. Как известно, движущиеся таким образом ионы будут описывать круговые линии в плоскости, параллельной поверхности полюсов магнита. Кривизна этих круговых линий при прочих равных условиях зависит от массы иона. Более легкий ион описывает окружность меньшего радиуса. Таким образом, выпущенные из масспектрографа ионы различных изотопов могут улавливаться в разных местах. Движение иона по правильной круговой орбите возможно лишь при условии, что на всем пути ион не столкнется с какой-либо молекулой газа. Поэтому из камеры прибора тщательно откачивают воздух.
В одном аппарате такого рода можно сразу получить довольно чистые продукты разделения. Однако производительность установки очень мала. Поэтому опять-таки нужно много ячеек для получения достаточного количества урана>235.
Все известные в промышленности способы разделения изотопов очень сложны. Но, несмотря на это, чистые изотопы урана получают в довольно больших количествах.
Критический вес. Уголь — прекрасный горючий материал. Но попробуйте осуществить горение в маленьком куске каменного угля. Вам это не удастся. Химическая реакция горения не может поддерживать сама себя в малом объеме.
Вместе с тем большая масса угля в топке легко сгорит до конца.
Горение угля может происходить только при температуре 500–600 градусов, то есть оно может поддерживаться только тогда, когда выделяющегося при реакции тепла достаточно, чтобы нагреть соседние слои угля до этой температуры. Но тогда нужно, чтобы меньше тепла уходило через поверхность горящего тела. Очевидно, что потеря тепла зависит от величины поверхности горящего тела, а относительная величина поверхности растет с уменьшением размеров тела. Так, например, для шара диаметром 20 сантиметров отношение поверхности к объему будет 0,3, тогда как при диаметре шара 2 сантиметра это же соотношение будет 3, то есть в десять раз больше. Естественно, что при горении малый шар будет терять относительно больше тепла, чем большой. Потеря тепла может быть настолько велика, что горение перестанет само себя поддерживать.
Таким образом, химическую реакцию горения можно осуществить только в достаточно большом объеме[6].
Так же как и химический, ядерный цепной процесс не может идти в малом куске расщепляющегося материала.
Для цепного процесса в уране необходимо, чтобы нейтроны, получающиеся при делении, производили новые деления. Но так как ядра составляют ничтожную часть объема вещества, нейтроны могут свободно пройти сквозь малый объем урана>235, не задев ни одного ядра, то есть не совершив нового деления (на рис. 13, А). Нужно уменьшить выход нейтронов, а это можно сделать двумя способами. Во-первых, можно увеличить объем (на рис. 13, Б), при этом уменьшится относительное значение поверхности куска урана и, следовательно, уменьшится вероятность выхода нейтронов через эту поверхность. Во-вторых, выход нейтронов можно уменьшить, окружив кусок урана веществом, отражающим нейтроны (на рис. 13, В). Нейтроны, сталкиваясь с ядрами вещества отражателя, будут частично возвращаться обратно в уран, где вновь примут участие в цепном процессе.
Для осуществления цепного процесса в уране необходимо, чтобы кусок урана был больше определенного объема или чтобы вес куска урана был больше так называемого критического веса.
Чем же определяется критический вес куска урана>235? Легко показать, что необходимым и достаточным для осуществления цепной реакции является условие, при котором хотя бы один из нейтронов деления производит новое деление.
Предположим, что в каждом акте деления получаются три нейтрона (рис. 14). Один из нейтронов может после ряда соударений с ядрами урана или вещества отражателя произвести еще одно деление; при этом появятся опять три нейтрона. Другой нейтрон может, столкнувшись с ядром какого-либо вещества посторонней примеси, им поглотиться; новых нейтронов при этом возникать не будет. И, наконец, третий нейтрон может выйти за пределы урана и отражателя, не произведя ядерной реакции.
