2. Популярно о физике ядерных реакций

Каким конкретно образом физика, по выражению замминистра Шашарина, определила масштаб аварии? Что это были за ситуации, где эта физика проявлялась? Что это были за два случая на самой ЧАЭС, о которых напомнил глава правительства Рыжков, заявивший, что к этой аварии мы шли? Что это был за случай на Ленинградской АЭС в 1975 году, о котором упомянул директор ЧАЭС Брюханов? Чем было вызвано и в чем выражалось свойство разгона реактора, о котором говорил академик Александров, и действительно ли это свойство было устранено?

Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо вспомнить азы атомной и ядерной физики, основные понятия и определения, разобраться в процессах, которые протекают в ядерных реакторах.

* * *

В первой трети XIX в. стало окончательно ясно, что атомы – реально существующие материальные объекты, обладающие вполне определенными физическими свойствами: размерами и массой. Ясность эта наступила в значительной мере благодаря работам английского химика Джона Дальтона.

Вершиной химической атомистики стало открытие в 1869 году Дмитрием Ивановичем Менделеевым периодического закона, который установил соответствие между химическими свойствами элементов и массами образующих эти элементы атомов. Гениальность периодического закона выразилась не только в том, что она указала на ряд еще неизвестных человеку химических элементов, но и предвосхитила описание внутреннего состава атомных ядер: каждый порядковый номер, присвоенный элементам, означал величину электрического заряда атомных ядер, или, что то же самое, на количество протонов в ядре – за полвека до открытия и ядра, протона. Номер 92 получил элемент, замыкавший таблицу – уран.

С открытием в 1896 году явления радиоактивности и с открытием в следующем году электрона, ставшим первой известной человеку элементарной частицей, наступает время атомистики физической, наступает время попыток описать внутреннее устройство атома. В 1899 году Эрнест Резерфорд обнаруживает, что радиоактивность, порождаемая естественными, обнаруживаемыми в природе элементами, является сложной, составной, складывается из трех видов излучений: положительно заряженных частиц (получивших название альфа-частиц), отрицательно заряженных частиц (названных бета-частицами и оказавшихся электронами), и электромагнитного излучения, не несущего электрического заряда, т. е. электрически нейтрального (получившего название гамма-излучения).

Открытие трех основных видов излучения увековечено в известном схематическом изображении: три исходящие из одной точки траектории – отклоняющийся в магнитном поле в одну сторону поток альфа-частиц, в противоположную сторону – поток бета-частиц и идущее по прямой гамма-излучение.

Альфа-частицы, испускаемые ураном, засветили у Анри Беккереля фотопластинку, завернутую в черную бумагу, и привели того к открытию радиоактивности. Альфа-частицы послужили Резерфорду инструментом в опыте, где было обнаружено ядро атома. При облучении листка металлической фольги пучком альфа-частиц оказалось, что часть их при прохождении через листок отклоняется на большие углы – в том числе близкие к 180°, то есть почти разворачивается назад. Такое могло быть объяснено только тем, что в веществе фольги имеются весьма малые и обладающие положительным зарядом материальные образования. Это и были ядра атомов, образующих вещество фольги.

Внутренняя структура атома была в первом приближении описана: атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих ядро орбит-оболочек с отрицательно заряженными электронами, причем практически вся масса атома сосредоточена в его ядре; масса электронов по сравнению с массой ядра ничтожно мала. Это напоминает Солнечную систему – в центре находится Солнце, вокруг которого вращаются планеты, причем масса планет много меньше массы Солнца. Поэтому предложенное Резерфордом описание структуры атома было названо планетарной моделью.

Эксперимент с рассеянием альфа-частиц на золотой фольге был проведен в 1909 году. Планетарная модель была обнародована в 1911 году.

В 1913 году в физике появляется и закрепляется понятие «изотоп». В этом году Джозеф Джон Томсон, уже вошедший в историю открытием электрона, обнаружил, что неон – химический элемент с атомным номером 10, т. е. стоящий под номером 10 в периодической таблице – представлен двумя сортами атомов с массовыми числами 20 и 22. Понятие «изотопы» – т. е. «занимающие одно и то же место» (в периодической таблице) – было предложено Фредериком Содди, одним из ближайших соратников Резерфорда. Наличие естественных изотопов обнаружится у большинства химических элементов: у водорода – три, у гелия, лития, бора – по два, у углерода – три, у азота – два, у кислорода – три. Три природных изотопа обнаружится у урана – элемента с номером 92, замыкавшего тогда периодическую таблицу. Эти три изотопа имеют массовые числа, равные 234, 235 и 238.

Двумя следующими после открытия ядра и выявления внутренней структуры атома фундаментальными открытиями явились открытия ядерных реакций и внутреннего состава самих ядер. Ядерными реакциями стали называть эффекты и явления, происходящие при взаимодействии атомных ядер с другими ядрами или с частицами.

Первой осуществленной человеком ядерной реакцией стало превращение ядра азота в ядро кислорода при облучении азота альфа-частицами. Этот эксперимент был осуществлен в 1919 году Резерфордом.

Дополнительным продуктом осуществленной Резерфордом реакции азот-кислород оказалась ранее неизвестная частица, обладающая положительным электрическим зарядом. Эта частица получила название протон и оказалась ничем иным, как ядром атома водорода. Если электрон был первой открытой человеком внутриатомной частицей, то протон оказался первой внутриядерной.

В 1932 году Джеймсом Чедвиком был открыт нейтрон – электрически нейтральная частица с массой, близкой к массе протона. Предположение, что протоны и нейтроны в совокупности и образуют состав атомного ядра, первым выдвинул в том же 1932 году советский физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко.

* * *

Эрнест Резерфорд облучал альфа-частицами азот и открыл протон, одновременно обнаружив возможность превращения одного химического элемента в другой. Вальтер Боте, облучая альфа-частицами бериллий и литий, обнаружил новый вид излучения с высокой проникающей способностью, природу которого он объяснить не смог. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что если это новое излучение падает на водородосодержащий материал – например, на парафин, – то образуются протоны высоких энергий. Джеймс Чедвик, по-своему организовав эксперимент по облучению бериллия альфа-частицами, окончательно идентифицировал новую частицу и определил ее массу. Облучать материалы теми или иными видами излучений, превращать одни химические элементы в другие или получать новые – искусственные – изотопы элементов, стало новым направлением в науке.

В 1934 году Энрико Ферми начинает серию экспериментов по облучению веществ нейтронами. Им было получено свыше 50 искусственных радиоактивных изотопов. Но главная цель, которую преследовал Ферми – получение не просто новых элементов, а элементов, которые были бы тяжелее урана, которые в периодической таблице стояли бы правее урана, – элементов, которые будут названы трансурановыми, т. е. заурановыми. Ферми хотел заглянуть за край таблицы Менделеева и обнаружить элементы с атомными номерами, превышающими число 92. Обнаружить новые элементы ему тогда не удалось.

С опытами Ферми поучилось примерно как с опытом Боте – тот облучал альфа-частицами бериллий, но не смог объяснить полученные результаты. Для окончательной идентификации новой частицы – нейтрона – понадобился новый эксперимент, выполненный Чедвиком. Правда, и того, что Ферми сделал, было более чем достаточно для присуждения ему в 1938 году Нобелевской премии.

В 1938 году опыты Ферми по облучению урана нейтронами повторили Отто Ган и Фриц Штрассман. Из облученного урана они выделили барий – элемент с номером 56, т. е. из середины таблицы. Это могло быть объяснено единственным образом: ядро с номером, почти в два раза меньшим, чем у исходного, могло получиться только в результате деления исходного ядра.

В следующем году Фредерик Жолио-Кюри с сотрудниками обнаружил, что при делении, помимо двух дочерних ядер, образуется в среднем два-три вторичных нейтрона. Продуктами реакции деления оказались частицы, вызывающие эту реакцию. Это позволяло надеяться на возможность осуществления в уране самоподдерживающейся цепной реакции деления.

Откроем учебник по физике для 11 класса: «Ядерной цепной реакцией называется реакция, в которой частицы, вызывающие ее (нейтроны), образуются как продукты этой реакции».

* * *

Установлением необходимых условий для возникновения и поддержания цепной реакции деления, т. е. созданием теории цепной реакции, занимались одновременно и независимо друг от друга в двух местах – в Соединенных Штатах, куда, спасаясь от Муссолини и от Гитлера, перебрались многие физики Старого Света, и в Советском Союзе. Энрико Ферми там, Борис Яковлевич Зельдович и Юлий Борисович Харитон здесь. Эти люди явились основателями реакторной физики.

Одним из принципиальных положений этой теории стало установление того факта, что цепная реакция деления неосуществима на уране-238, т. е. на изотопе, массовое содержание которого в природном уране составляет свыше 99 %. Поддерживать цепную реакцию можно только в среде урана-235, содержание которого в природном уране – менее одного процента.

Еще одним принципиальным положением стало утверждение о необходимости введения в размножающую среду вещества-замедлителя, проходя через которое нейтроны деления, обладающие при рождении большими скоростями и энергиями, теряли бы свою скорость. Чем меньше скорость нейтронов, с тем большей вероятностью они делят ядра урана-235. Харитон и Зельдович указывали, что идеальными в качестве замедлителей являются водородосодержащие вещества, Ферми разрабатывал идею применения графита.

Ключевым понятием в теории цепной реакции деления стало понятие коэффициента размножения нейтронов.

Сразу после обнаружения образующихся в результате деления вторичных нейтронов стало понято, что цепная реакция возможна, если число нейтронов вылетевших из ядер при делении, будет больше, или, в крайнем случае, равно числу нейтронов, эти деления вызвавших. Отношение числа вторичных ядер к числу исходных получило название коэффициента размножения.

Выяснение условий, при которых осуществима цепная реакция деления, свелось к выяснению условий, при которых коэффициент размножения нейтронов больше единицы или равен единице.

Обратимся еще раз к физике для 11 класса:

«Для течения цепной реакции нет необходимости, чтобы каждый нейтрон обязательно вызывал деление ядра. Необходимо лишь, чтобы среднее число освобожденных нейтронов в данной массе урана не уменьшалось с течением времени.

Это условие будет выполнено, если коэффициент размножения нейтронов k больше или равен единице. Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в каком-либо “поколении” к числу нейтронов предшествующего “поколения”.

Под сменой поколений понимают деление ядер, при котором поглощаются нейтроны старого поколения и рождаются новые нейтроны. Если k>1, то число нейтронов увеличивается с течением времени или остается постоянным, и цепная реакция идет. При k<1 число нейтронов убывает, и цепная реакция невозможна».

Чему в принципе может быть равен коэффициент размножения? Как определить, чему он будет равен для среды данного состава, данной формы и размеров, от чего он зависит, как можно придавать ему требуемое значение?

В предельном, идеальном случае коэффициент размножения равен числу вторичных нейтронов, рождающихся в среднем на один акт деления. Для урана-235 это число равно 2.416, т. е. при делении одной тысячи ядер, которое вызвано тысячей первичных нейтронов, рождается 2416 вторичных нейтронов.

Условие номер один, при котором коэффициент размножения был бы равен этому числу, состоит в том, чтобы среда, в которой предполагается осуществить цепную реакцию, состояла бы только из делящегося изотопа урана-235. И чтобы всякий нейтрон, поглощаясь в уране, вызывал бы деление со стопроцентной вероятностью.

Но так не бывает. Бывает, что нейтрон поглощается, не вызывая деления.

Не бывает ядерных реакторов с топливом, содержащим 100 % изотопа уран-235. Не бывает ядерных реакторов с ураном в химически чистом – металлическом – виде. Уран может применяться только в виде химических соединений; сейчас это в основном двуокись урана, в перспективе рассматривается нитрид урана.

Для цепной реакции в природном уране или в уране слабоогащенном, т. е. в таком, где массовая доля урана-235 повышена до нескольких процентов, необходим замедлитель нейтронов. А любой замедлитель, как и вообще любое вещество, является одновременно и поглотителем. Слабым, но поглотителем. Кроме того, в природном и в слабообогащенном уране основным поглотителем нейтронов является не поддерживающий цепную реакцию уран-238. Поглощение нейтронов в уране-238 и в замедлителе – вот две основные причины, существенно снижающие значение коэффициента размножения по сравнению с предельно возможной 2.416: снижающие до значений или немного превышающих единицу, или даже меньших, чем единица.

Интересно и характерно: увеличение количества замедлителя уменьшает захват нейтронов в уране-238, но одновременно – что совершенно естественно – увеличивает поглощение нейтронов в самом замедлителе.

Величина, которая характеризует уменьшение захвата в уране-238, называется вероятностью избежать резонансного захвата. С увеличением количества замедлителя эта вероятность растет, стремясь к единице. Величина, которая характеризует поглощение в замедлителе и во всех прочих материалах активной зоны, называется коэффициентом использования тепловых нейтронов. С увеличением количества замедлителя этот коэффициент падает, стремясь к нулю.

Реальное значение коэффициента размножения получается умножением числа 2.416 на произведение двух величин: вероятность избежать захвата в уране-238 и на коэффициент использования тепловых нейтронов, и еще на некоторые величины, которые от количества замедлителя не зависят и при данном составе топлива являются постоянными.

Если одна величина растет, стремясь к единице, а другая падает, стремясь к нулю, то их произведение должно иметь максимальное значение; до этого максимума оно растет, а затем падает. Стало быть, при увеличении количества замедлителя коэффициент размножения сначала растет, достигает максимума, затем падает. То есть должно существовать какое-то количество замедлителя в расчете на единицу массы топлива, при котором коэффициент размножения максимален.

Одним из важнейших шагов в развитии теории цепной ядерной реакции стало определение оптимального соотношения количеств замедлителя и ядерного топлива. Это соотношение может быть выражено величиной отношения объемных концентраций атомных ядер замедлителя и топлива. Может быть выражено отношением объемов замедлителя и топлива.

А может – величиной шага решетки замедлителя, воды или графита.