Ядерные реакторы - [26]

Ученые многих стран, в частности немецкие ученые, не веря в успех, так и не предприняли попыток строить такие реакторы.

Но советские ученые оказались более настойчивыми. Они провели ряд измерений, подтверждающих возможность осуществления цепного процесса в урано-графитовой системе. Выяснили, что для успешной работы реактора надо применять урановые цилиндрические блоки и располагать их в графите на расстоянии 20 сантиметров один от другого.

Оказалось, что для достижения критического размера, при котором начинается цепной процесс, нужны очень большие количества (для того времени) дорогих материалов: 45–50 тонн металлического урана и несколько сот тонн графита. Нужно еще отметить, что требования, предъявляемые к этим материалам, были чрезвычайно высокие. Примесь бора или кадмия в графите совершенно недопустима. Миллионная доля бора в графите приводила к огромному поглощению нейтронов, что не давало возможности осуществить цепной процесс. От чистоты материалов зависел успех всего дела. На помощь физикам пришли горняки, металлурги и химики. Уран и графит в нужных количествах был получен: уран — в виде металлических блоков диаметром три — четыре сантиметра, а графит — в виде кирпичей размером 10×10×60 сантиметров.

Постройка реактора является вообще весьма сложным и тонким делом. Сборка же первого реактора, если не принять специальных мер, к тому же и опасна. Может ведь случиться, что вследствие ошибки в расчетах и предварительных измерениях бурный цепной процесс начнется значительно раньше, чем ожидают. Это может привести к очень серьезной аварии и даже к взрыву. В лучшем случае сотрудники лаборатории получат огромные дозы очень вредного нейтронного облучения. Переоблучение может гибельно отразиться на здоровье людей.

Все это хорошо понимали советские люди, и поэтому при строительстве реактора велось тщательное наблюдение за числом выделяемых в системе нейтронов. В процессе сборки в тело реактора были всегда погружены поглощающие нейтроны кадмиевые стержни. Эти стержни в любом случае не давали возможности осуществить цепной процесс.

Мы уже знаем, что в уране всегда происходят самопроизвольные (спонтанные) деления, в результате которых возникают нейтроны. Поэтому чувствительная ионизационная камера, помещенная возле куска урана, всегда регистрирует нейтроны. Чем больше масса урана, тем больше нейтронов.

Давайте немного займемся арифметикой. Предположим, что наша камера, установленная на некотором расстоянии от куска урана весом в один грамм, регистрирует в час всего один импульс, вызванный нейтроном спонтанного деления. Сколько же она будет регистрировать, если вместо одного грамма мы в том же месте поместим тонну урана? Задача кажется очень простой. В одной тонне миллион граммов, поэтому камера сосчитает уже 10⁶ импульсов в час, или около 300 импульсов в секунду. Но это не так. Мы забыли о том, что нейтроны, вылетающие при делении, будут также вызывать деления, и, чем больше окружающая масса урана, тем больше будет этих новых делений и новых нейтронов. Таким образом, число нейтронов в тонне урана будет всегда несколько больше подсчитанного нами.

Общее число нейтронов можно легко подсчитать, если вспомнить, что такое коэффициент размножения нейтронов.

Читатель знает, что если в нашей системе урана с графитом появилось N₀ нейтронов, то эти нейтроны, совершая новые деления, создадут еще N₀K нейтронов, где K — коэффициент размножения. В свою очередь эти N₀K нейтронов дадут новых N₀K² нейтронов и т. д. В конечном счете вместо N₀ нейтронов мы получим бесконечное число поколений новых нейтронов:

N >0 , N >0 K, N >0 K >2 , N >0 K >3 …

Сумма нейтронов всех поколений даст нам общее число нейтронов, полученное в результате появления в системе N₀ нейтронов, причем так как коэффициент размножения меньше единицы, то число нейтронов каждого последующего поколения меньше предыдущего (цепной процесс не идет).

Читатель, окончивший среднюю школу, конечно, знает эти числа: это члены бесконечно убывающей геометрической прогрессии. Сумма всех членов бесконечной убывающей прогрессии равна:

.

Не следует думать, что это число нейтронов получается за бесконечно большое время. Скорость нейтронов очень велика, и большое число поколений нейтронов будет рождаться в миллионные доли секунды. За это же время количество нейтронов возрастает до величины, близкой к сумме бесконечно убывающей прогрессии.

Таким образом, система, состоящая из урана или урана с графитом, является умножителем нейтронов. Если мы впустим в нее N₀ нейтронов, то в ней получается большее число 

нейтронов (при K<1). В том случае когда коэффициент размножения очень мал, то есть когда количество урана невелико, размножения нейтронов не происходит и N≈N₀. Но когда размер системы близок к критическому, коэффициент размножения немного меньше единицы и число нейтронов резко возрастает. Так, при K=0,9 в уране рождается нейтронов в 10 раз больше начального количества. Если K=0,99, то первоначальный поток нейтронов увеличивается в 100 раз, если K=0,999, то — в 1000 раз, и т. д. Когда система становится критической, то уже один нейтрон вызывает их бесконечное множество. Теперь нам уже ясно, как экспериментально определяли советские ученые радиус урано-графитового шара, при котором начинается цепной процесс. Они измерили коэффициент размножения для четырех шаровых моделей различных радиусов.