История ядерной физики

Деление ядер. В 1934 г. Э. Ферми с сотрудниками в физическом институте Римского королевского университета поставили эксперименты по облучению нейтронами ядер различных элементов. В результате появлялись как стабильные, так и нестабильные изотопы, проявляющие бета-минус (электронный) распад. Данное явление было названо искусственной радиоактивностью. Впоследствии Э. Ферми обнаружил явление замедления нейтронов и построил его теорию (Нобелевская премия по физике 1938 г.), а также открыл в 1936 г. селективное поглощение нейтронов. Эти экспериментальные работы Э. Ферми с сотрудниками (Э.Амальди, Б. Понтекорво, Ф. Разетти, Э. Сегре) положили начало нейтронной физики. Одновременно Э. Ферми была высказана также идея о возникновении в результате облучения урана нейтронами новых заурановых элементов. До открытия деления ядер оставалось сделать лишь один шаг. Однако условия в Италии стали невозможными для жизни и научной деятельности, поэтому в 1938 г. Э. Ферми и его ученики эмигрируют в США.

Временный перерыв в исследованиях Э. Ферми использовали Ф. Жолио и И. Кюри в Коллеж де Франс, а также О. Ган, Л. Мейтнер и Ф. Штрассман в институте Далема в Германии. Вскоре И. Кюри и П. Савич сообщили, что при облучении урана нейтронами образуется торий. Но Л. Мейтнер повторила эти эксперименты и тория не обнаружила. Открытие оказалось ошибочным. Однако следующая работа Кюри и Савича, выполненная в 1938 г., была более значимой. В ней сообщалось, что облучение урана медленными нейтронами вызывает появление элемента с периодом полураспада Т=3,5 часа, который осаждался совместно с лантаном. Это утверждение не было в дальнейшем развито французскими физиками, вследствие убеждения в том, что ядерные реакции всегда приводят к образованию изотопов исходного элемента или соседних с ним элементов. При облучении урана таковыми должны быть трансураны. Тем не менее, результаты Кюри и Савича придали новый импульс исследованиям группы из Далема. В том же году Ганн и Штрассман повторили опыты Кюри и Савича и показали, что радиоактивность с периодом полураспада Т=3,5 часа обусловлена барием, при распаде которого возникает лантан.

Первое уверенное суждение о наличии бария среди продуктов реакции встречается в статье Гана и Штрассмана, поступившей в редакцию «Naturwissenschaften» 22 декабря 1938 г. Однако в статье Гана и Штрассмана не было никаких указаний о расщеплении или делении урана. К этой интерпретации экспериментов пришла Л. Мейтнер, узнавшая о их результатах от О. Фриша (в это время она уже эмигрировала из Германии, но продолжала живо интересоваться работой коллег). Возможность расщепления ядра урана нейтронами высказывается в письмах О. Фриша и Л. Мейтнер от 1и 3 января 1939 г. О. Гану и Ф. Штрассману, а также в письме от 16 января 1939 г. в редакцию журнала «Nature»: «Представляется возможным, что ядро урана имеет небольшую устойчивость формы и может после захвата нейтрона на два ядра примерно одинаковой формы… вследствие высокого отношения числа нейтронов к числу протонов осколки должны быть-радиоактивными». В качестве физического объяснения деления урана Мейтнер и Фриш указали на взаимное отталкивание протонов в тяжелых ядрах, вызывающих неустойчивость таких ядер, при одновременном наличии других сил, удерживающих составные части ядра вместе. Если сообщить такому ядру небольшую энергию извне, например, при облучении нейтронами, то это вызовет деформацию ядра, обусловленную тем, что короткодействующие ядерные силы не могут противостоять силам отталкивания, которые медленно ослабевают с расстоянием. В результате ядро распадается на две части, кинетическая энергия которых зависит от массы осколка. Таким образом, если экспериментально деление урана открыто О. Ганом и Ф. Штрассманом (несомненно, что окончательные доказательства эффекта получены благодаря их радиохимическим исследованиям), то первое физическое объяснение делению дано Л. Мейтнер и О.Фришу. (С этой точки зрения, не вполне понятным является присуждение одному только О. Гану Нобелевской премии по химии в 1944 г.).

С наибольшей вероятностью деление происходит на два осколка с массами 96−98 и зарядом 42 (цирконий) для одного осколка и с массами 132−136 и зарядом 52 (теллур) для второго. Вероятность деления на три осколка примерно в пятьсот раз меньше вероятности деления на два осколка. Образующиеся осколки перегружены нейтронами и испытывают — распад, либо непосредственно излучают нейтроны. Эти нейтроны, которые носят название запаздывающих, играют чрезвычайно важную роль, позволяя обеспечить управление цепной реакцией деления в ядерных реакторах, ибо среднее время запаздывания (более 10−2 секунды), оказывается гораздо больше времени деления (10−8 сек). Испускается шесть групп запаздывающих нейтронов с временами запаздывания 0,2 — 55,7 сек и монохроматическими энергиями 0,25 — 0,42 МэВ.

Энергия, выделяющаяся при делении ядра урана, составляет примерно 200 МэВ. При этом кинетическая энергия осколков составляет 164 МэВ и очень быстро превращается в тепловую. Энергия вторичных нейтронов, которых образуется от двух до семи, составляет около 6 МэВ и может быть использована для осуществления последующих циклов деления. Энергия радиоактивного распада осколков составляет около 22 МэВ (-распады в осколках — до двух в меньшем и до пяти в большем осколке, приводят к появлению высокоактивных отходов ядерных реакторов и необходимости их захоронения). Наконец, энергия гамма-квантов (от двух до десяти на каждый акт деления) составляет около 8 МэВ. Гамма-кванты таких энергий обладают высокой проникающей способностью, что наряду с чрезвычайно большими потоками нейтронов от ядерного реактора требуют чрезвычайно толстой, а, следовательно, и массивной защиты, а это не позволяет использовать ядерные энергетические установки в железнодорожном и воздушном транспорте.

Кроме деления под действием нейтронов (вынужденного) существует самопроизвольное (спонтанное) деление, исследованное в Ленинградском физико-техническом институте учениками И. В. Курчатова К.А.Петржаком и Г. Н. Флеровым в 1939;40 гг. Для этого была создана делительная камера, в виде многослойного конденсатора с общей площадью пластин около 1000 см², на которые шеллаком наклеивался тонким слоем урановый концентрат. В 1940 году удалось изготовить камеру с площадью пластин 6000 см², что позволило увеличить ее чувствительность в 200 раз по сравнению с существовавшими за рубежом. Для устранения влияния фона от транспорта и космических лучей установку вынесли за пределы Ленинграда, а затем провели эксперименты на станции Динамо в Московском метрополитене на глубине около 60 метров (180 метров водного эквивалента). В этих условиях фон космического излучения уменьшался на 95%. Работали в основном ночью: тихо, поезда не искрят, никто не мешает. Многочисленные контрольные измерения позволили установить существование спонтанного деления урана-238 и оценить его период полураспада 0,81 016 лет. Таким образом, в 1 г урана происходит около 25 делений в секунду. Период полураспада по отношению к спонтанному делению у урана-235 существенно больше, хотя он существенно легче делится под действием нейтронов. В последствии спонтанное деление было открыто и у других элементов, причем для тяжелых трансуранов оно представляет основной тип распада с очень малым средним временем жизни.

Механизм деления был объяснен Н. Бором и А. Уиллером, а также независимо Я. И. Френкелем. Определяющую роль в этом играет зависимость энергии связи ядра от заряда и массового числа. Короткодействие ядерных сил и их насыщение приводят к тому, что в ядре, как и в капле жидкости энергия связи зависит от объема ядра, т. е. от числа нуклонов А, но у нуклонов на поверхности ядра, в отличие от внутренних нуклонов, часть связей не использована и возникает аналог поверхностного натяжения, энергия которого уменьшает энергию связи ядра пропорционально А2/3. Кулоновское взаимодействие протонов свойством насыщения не обладает (любой протон в ядре может взаимодействовать с любым другим) и его энергия уменьшает энергию связи ядра пропорционально Z2/A1/3, т. е. прямо пропорционально числу пар протонов и обратно пропорционально радиусу ядра. Таким образом, кулоновское взаимодействие старается развалить ядро и является причиной его деформации, а также и деления, тогда как поверхностное натяжение стягивает ядро, препятствуя делению. Когда извне в ядро попадает нейтрон, его энергия не локализуется, а быстро перераспределяется между всеми нуклонами, так что ядро начинает совершать колебания с изменением формы, превращаясь последовательно из сферы в вытянутый и сплющенный эллипсоид вращения. Силы отталкивания приводят к появлению деформаций высших порядков (перетяжек) и ядро делится, в случае преобладающих сил поверхностного натяжения колебания успокаиваются и ядро остается деформированным. Энергия необходимая для деления ядра внешним нейтроном носит название энергия активации и для ядер урана-235, а также трансуранов она настолько мала, что деление может осуществляться нейтронами произвольных энергий, напротив деление урана-238 возможно только быстрыми нейтронами. Вследствие того, что в процессе деления испускается несколько нейтронов, теоретически возможной становится самоподдерживающаяся цепная реакция деления. Теория таких реакций была разработана Я. Б. Зельдовичем и Ю. Б. Харитоном в 1939;40 гг. В связи с началом Великой Отечественной войны из печати в Успехах физических наук успела выйти только первая часть работы, что случилось к лучшему, ибо сведения, содержащиеся во второй части статьи существенно облегчили бы работу над созданием ядерного оружия немецким физикам.

Концепция использования самоподдерживающей цепной реакции деления в ядерных боеприпасах и энергетических установках (ядерных реакторах) была высказана Ф.Жолио. Им же в 1940 г. были получены пять патентов на эти установки. Несмотря на то, что эти патенты не содержали конкретных деталей устройств, сам факт патентования имел существенное значение для развития атомных проектов, особенно английского.

Подробные расчеты ядерных реакторов и их физическое устройство весьма сложны, поэтому мы ограничимся кратким изложением основных идей, отсылая читателя интересующегося подробностями к специальной литературе.

В активной зоне реактора происходит самоподдерживающаяся реакция деления в стационарном режиме. Кинетическая энергия осколков превращается в тепло, которое отводится водой для реакторов на медленных нейтронах или жидким металлом — для реакторов на быстрых нейтронах. Через теплообменник энергия передается парогенератору и превращается электричество, при этом к.п.д. составляет около тридцати пяти процентов, например, для водо-водяного энергетического реактора ВВЭР-1000 (замедлитель и теплоноситель обычная вода) тепловая мощность составляет 3 ГВт, а электрическая 1 ГВт.

Из двух природных изотопов урана уран-238 делится только быстрыми нейтронами и из общего числа нейтронов деления (в среднем в каждом акте образуется нейтронов), по крайней мере, половина имеет энергию ниже порога деления. Сечение деления урана-238 около =0,5 барн, тогда как сечение неупругого рассеяния — несколько барн. Таким образом, коэффициент размножения (отношение числа нейтронов в некотором цикле реакции к числу нейтронов в предшествующем цикле) в среде из чистого урана-238 k равный произведению среднего числа нейтронов «рожденных» в одном цикле на отношение сечения деления к сечению неупругого рассеяния меньше единицы, т. е. самоподдерживающая цепная реакция в такой среде не возможна. Аналогично, в среде из урана природного состава самоподдерживающая цепная реакция также не возможна, поскольку нейтроны замедляясь в столкновениях с ядрами урана будут захватываться в резонансной области ураном-238, не успев замедлиться до тепловых энергий, при которых сечение деления урана-235 превышает сечение радиационного захвата ураном-238. Поэтому для реализации самоподдерживающей цепной реакции в активную зону ядерного реактора необходимо вводить замедлитель. Не вдаваясь в подробности теории замедления нейтронов, развитой Э. Ферми, отметим лишь, что эффективность замедлителя определяется массой его ядер (чем меньше масса, тем больше потери энергии в одном столкновении), длиной диффузии нейтронов и длиной замедления. Лучшими замедлителями являются тяжелая вода, графит и легкая вода. (Пригоден также бериллий, но он практически не используется вследствие высокой токсичности). Самоподдерживающаяся цепная реакция возникает в гомогенном растворе сульфата уранила с природным содержанием урана-235 в тяжелой воде, с соотношением 1000 молей тяжелой воды на 1 моль сульфата уранила. Однако в силу высокой стоимости тяжелой воды, а главное, высокой химической активности растворов урана в тяжелой воде гомогенные реакторы используются только как исследовательские и число их невелико. В подавляющем большинстве реакторов и, прежде всего, в энергетических, используется гетерогенная компоновка, в которой ядерное горючее заключается в циркониевую оболочку ТВЭЛа, сборки ТВЭЛов помещаются в замедлитель. В энергетических реакторах в качестве ядерного горючего используется обогащенный уран. Помимо других преимуществ это не позволяет нарабатывать в таких реакторах оружейный плутоний. В отработанном топливе содержится смесь изотопов плутония, которая при имплозии вместо взрыва дает лишь мягкую вспышку. Для уран-графитовых реакторов (типа РБМК-1000) обогащение составляет 1,5−2,5%, для водо-водяных реакторов (типа ВВЭР-1000) — 2,5−3,5%, для реакторов на быстрых нейтронах (типа БН-600) — 25−35%.