УПРАВЛЯЕМАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ ДЕЛЕНИЯ
Прежде чем продолжать наше изложение, рассмотрим один весьма существенный и, пожалуй, наиболее важный вопрос: почему лавинообразно нарастающая цепная реакция деления все-таки не возникает в природном уране (состоящем из смеси изотопов 234, 235 и 238), даже если взять очень большое его количество и облучать потоком нейтронов любой интенсивности?
Оказалось, что судьба нейтронов, попадающих в природный уран, неодинакова.
Как и любая другая ядерная частица, нейтрон в зависимости от его энергии может двигаться с различными скоростями. Самое медленное движение нейтронов может совершаться со скоростью теплового движения молекул при обычных, комнатных температурах Выраженная в электронвольтах, эта энергия не превышает 0,03 эв. Замедлиться до таких скоростей нейтрон может лишь в результате многочисленных столкновений с ядрами других элементов. Такие нейтроны принято называть тепловыми, в отличие от быстрых, испускаемых радиоактивными источниками этих частиц. На рисунке показано, как действуют различные нейтроны на ядра урана.
Часть самых быстрых нейтронов, обладающих энергией выше 1 Мэв, как мы уже говорили, делит не только ядра урана-235, но и ядра урана-238.
Если бы все или большинство нейтронов, выбрасываемых при делении ядер урана, обладали энергией выше 1 Мэв, то вопрос о высвобождении внутриядерной энергии решался бы просто: деление урана-238 и возбуждение в нем цепной реакции было бы делом столь же легким, как и в чистом уране-235.
Однако энергия подавляющего большинства нейтронов, выбрасываемых при делении урана-235, лежит значительно ниже 1 Мэв, и поэтому деления ядер урана-238 они не вызывают.
Особенно хорошо ядра урана-235 делятся очень медленными, тепловыми нейтронами, с энергиями значительно ниже 0,03 эв.
Действие нейтронов различных энергий на ядра атома урана-235 и урана-238. Число, стоящее в каждой клетке, показывает примерно, какое количество нейтронов (в процентах) вызывает деление, упругое столкновение или захват.
В диапазоне же энергий примерно от 7 до 1 эв лежит область, в которой ядра урана-238 почти начисто поглощают (захватывают) любое количество нейтронов, которое попадает в кусок естественного урана. Это область так называемого резонансного поглощения нейтронов.
Следовательно, существуют области скоростей или энергий нейтронов, особо благоприятствующие делению одних изотопов урана и менее благоприятные для деления других, области сильного поглощения нейтронов одними ядрами урана и области малого поглощения их другими ядрами.
ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВЫХ ИСКУССТВЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Однако вернемся к событиям, предшествовавшим появлению атомной бомбы.
Мысль о том, что в результате облучения урана нейтронами из миллионов столкновений все же мог бы появиться хотя бы один-единственный атом сверхтяжелого элемента, не оставляла многих ученых. И действительно, в 1940 году в подвергнутом бомбардировке нейтронами уране удалось обнаружить наряду с осколками от деления урана-235 вещество, имеющее порядковый номер 93 и атомный вес 239.
Тщательное изучение ничтожно малого количества этого действительно нового, трансуранового элемента методами так называемой микрохимии позволило произвести переоценку роли урана-238.
Поглотив нейтрон, обладающий резонансной скоростью, ядро урана-238 не делится, а превращается в сильно возбужденный искусственный изотоп урана — уран-239 (92U239)· Этот изотоп крайне неустойчив, и половина его, выбрасывая электрон, распадается через 23 мин и образует новый радиоактивный элемент, имеющий порядковый номер 93 и вес 239.
Так как в Солнечной системе за планетой Уран следует планета Нептун, этому элементу и было присвоено название нептуний (93Uр239).
По истечении двух-трех суток, в свою очередь, распадается, выбрасывая электрон, половина получившегося нептуния, вместо которого появляется еще один новый, но уже более устойчивый радиоактивный элемент с порядковым номером 94 и атомным весом 239, названный плутонием.
Период полураспада его 24 тысячи лет, после чего, выбрасывая альфа-частицу, он превращается в уран-235. 
Процесс превращения урана-238, захватывающего нейтрон, в плутоний, а затем, спустя 24 тысячи лет, — в уран-235. (Т — период полураспада.)
Но наиболее важным в плутонии оказалось то, что под действием как медленных, так и быстрых нейтронов он делится на две части, как и уран-235.
В распоряжении ученых теперь оказалось не одно, а сразу два делящихся вещества: уран-235 и плутоний.
Поглотив нейтрон, неделящейся торий-232 превращается в делящийся изотоп урана — уран-233.
И, естественно, возник вопрос, какое из них легче и выгоднее получать в больших количествах? Решение этого вопроса зависело теперь от того, как будут решены чисто технические проблемы их производства.
Мы знаем, с какими трудностями связано разделение изотопов одного и того же химического элемента, в нашем случае урана-235 и урана-238.
Облучая же уран-238 нейтронами, можно превратить его в плутоний-239, отделить который от естественного урана уже намного проще и легче, ведь уран и плутоний хотя и близкие, но совершенно различные химические элементы, а следовательно, их можно отделять один от другого даже чисто химическими способами.
Существует еще один делящийся элемент — торий.
Он, так же, как и уран-238, делится только быстрыми нейтронами и не может быть использован в качестве ядерного горючего.
Но опять-таки, как и уран-238, торий-232, захватывая нейтроны меньшей энергии, становится бета-радиоактивным и после двух распадов превращается в не встречающийся в природе изотоп урана — уран-233. Этот изотоп прекрасно делится нейтронами любых энергий, как и уран-235 или плутоний.
Таким образом, из тория тоже можно изготовлять горючее для ядерных установок.
Однако для того, чтобы воспользоваться вторым способом получения делящихся веществ, требовалось найти столь мощный источник нейтронов, облучая которыми уран-238, можно было бы превращать его достаточно быстро и в желательных количествах в плутоний.
Не могло быть и речи о применении весьма слабого радиево-бериллиевого источника — он был слишком слаб даже для получения микроскопических порций плутония.
В космических лучах, о которых мы расскажем позже, нейтроны встречаются очень редко. И даже самые мощные ускорители частиц не могли создавать их в требуемых количествах.
Где же тогда их взять?
АТОМНЫЕ «СПИЧКИ»
«Чтобы приготовить заячье рагу, нужно по крайней мере иметь кошку», — гласит французская поговорка. Чтобы зажечь ядерный пожар — саморазвивающуюся цепную реакцию деления ядер атомов урана, нужно откуда-то взять первый, «запальный» нейтрон. Правда, еще раньше было установлено, что время от времени в атмосферу Земли влетают из космоса заряженные частицы, обладающие потрясающе огромной энергией — порядка сотен и тысяч миллиардов электронвольт и даже больше. Сталкиваясь с молекулами и атомами воздуха, эти частицы изредка выбивают из них одиночные нейтроны, которые, проблуждав после этого некоторое время, могут случайно попасть в ядра атомов урана-235 и вызвать их деление.
Однако такая возможность носит столь случайный характер, что рассчитывать на нее нельзя.
Поэтому в опытах, которые привели к открытию деления ядер урана, такими ядерными запальными «спичками» являлись полоний-бериллиевый или радий-бериллиевый искусственные источники. Устраивать пожар приходилось, так сказать, извне.
По ряду причин чисто технических это не во всех случаях было удобно, особенно когда речь шла о возбуждении цепной ядерной реакции деления в достаточно больших количествах урана.
Но не может ли атомное ядро разделиться само собой, без предварительного захвата нейтрона? Ведь можно же допустить, что колебания частиц внутри ядра могут вызвать его деформацию и как следствие деление. Такую мысль впервые высказал Нильс Бор.
И здесь совершенно неожиданно на выручку ученым пришла сама природа.
Занимаясь еще в 1934—1940 годах исследованиями условий, при которых возникает реакция деления ядер атомов урана и, в частности, проверкой гипотезы Нильса Бора, советские ученые Г. И. Флеров и К. А. Петржак пришли к такой мысли. Раз ядро атома урана столь непрочно, что постепенно распадается, испуская альфа- и бета-частицы, то не исключено стечение обстоятельств, при которых ядро атома урана — одно из миллиарда или даже нескольких триллионов — распадается самопроизвольно на два осколка, каждый из которых, будучи перенасыщен уже излишними для него нейтронами, станет тотчас же освобождаться от них.
Для того чтобы исключить возможность попадания в уран «блуждающих» нейтронов, возникающих под действием лучей из космоса, они помещали исследуемые образцы урана глубоко под землю — в шахты и туннели строящегося московского метро.
Опыты полностью подтвердили эту блестящую догадку ученых. Оказалось, что примерно из 2,56 · 1021 атомов, содержащихся в 1 г урана, спонтанно, то есть самопроизвольно, без всякой видимой причины, делится в час примерно шесть- семь ядер.
Таким образом, для искусственного возбуждения цепной реакции деления какие-либо внешние источники нейтронов оказались не нужны. «Спичками» для нее с успехом могли служить нейтроны, испускаемые такими самопроизвольно делящимися ядрами урана.
КОНТРОЛИРУЕМАЯ ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ
Итак, при делении ядра атома урана-235 на два осколка— ядра атомов, приходящихся на середину периодической системы Д. И. Менделеева, высвобождаются еще и два-три (в среднем 2,7) нейтрона, оказавшихся теперь лишними. Но ведь каждый из них может вызвать деление подвернувшихся им на пути ядер урана-235. Эти, допустим, три нейтрона, в свою очередь, разделят уже 27 ядер урана. 27 ядер, разделившись, выбросят 81 нейтрон, которые разделят 243 ядра урана, и т. д. Количество делящихся ядер будет удваиваться или утраиваться при каждом новом поколении делений, в короткий срок достигая астрономического числа.
Но это лишь в идеальном, теоретически возможном случае. Практически же в уране любой степени технической чистоты всегда присутствуют посторонние примеси, поглощающие некоторую часть высвобождающихся при делении нейтронов.
В этом смысле вредными примесями приходится считать и атомы основного тяжелого изотопа природного урана — уран-238. Их ядра, как мы знаем, слишком жадно поглощают нейтроны. Поэтому в сплошном слитке природного урана любого объема, состоящего на 99,3% из этого изотопа, цепную реакцию деления «просто так» возбудить нельзя.
Ну, а каким путем можно?
Здесь вступает в свои права математика, вернее, бухгалтерия. Если каким-то способом нам удалось «поджечь дрова» — возбудить в слитке урана реакцию деления и довести ее до какого-то определенного уровня (числа делящихся ядер в секунду), то она будет продолжаться на том же самом уровне, если из двух-трех высвобождающихся в процессе каждого такого деления нейтронов хотя бы один разделит ядро атома урана-235. Не нужно и доказывать, что условная величина — коэффициент размножения нейтронов (К), — то есть среднее значение отношения числа вторичных нейтронов, производящих деление новых ядер атомов урана или плутония, к числу первичных нейтронов, — в этом случае будет строго равен единице.
Но при любом, пусть даже самом медленном нарастании числа делений — допустим, когда количество нейтронов, делящих ядра атомов, в каждом последующем поколении превышает хотя бы на миллионную долю число нейтронов, полученных от разделившихся ядер атомов предыдущего поколения, — коэффициент размножения будет уже превышать единицу.
При К меньше единицы цепная реакция невозможна, а если бы и началась, то неминуемо затухла бы.
Но этим условия возбуждения ядерной реакции в уране не кончаются.
Как же все-таки осуществить управляемую цепную реакцию, если такая реакция в естественном уране возникнуть не может? Подавляющее большинство нейтронов, выброшенных при самопроизвольном или искусственном делении урана-235, будет поглощено ураном-238 задолго до того, как они могли бы встретить на своем пути и разделить ядра урана-235.
Нужно сделать так, чтобы как можно больше нейтронов (энергия которых лежит выше 7 эв) успело покинуть кусок природного урана до их встречи с ядрами атомов урана-238, замедлиться в какой-то иной среде до тепловой энергии, то есть миновать как можно быстрее зону резонансных энергий от 1 до 7 эв, особо благоприятную для поглощения их ядрами урана-238, а затем снова вернуться в слиток урана. Тогда нейтронам ничего не остается другого, как делить только немногочисленные ядра урана-235.
При достаточно большом количестве естественного урана в нем должна возникнуть цепная реакция.
Контролируемая цепная реакция в уране-235 возможна при условии замедления нейтронов до тепловых скоростей (0,03 эв) при помощи замедлителя.
Отсюда вытекала очередная задача — найти такое вещество, которое позволяло бы в наикратчайший срок замедлить быстрые нейтроны до тепловых скоростей порядка 0,03 эв и при этом само не поглощало нейтронов.
Итак, чтобы добиться первой стадии успеха, в естественный уран нужно было ввести какой-то замедлитель нейтронов.
Что же в таком случае представляет собой процесс замедления нейтронов?
АТОМЫ И ИГРА НА БИЛЬЯРДЕ
Мы уже говорили, что нейтроны могут сталкиваться с ядрами различных элементов, передавая им часть своей энергии. При этом их собственная скорость, а следовательно, и энергия, естественно, уменьшаются.
Нейтроны могут быть успешно замедлены только в том случае, если их столкновения с ядрами вещества замедлителя носят упругий характер, то есть, когда сталкивающиеся частицы отскакивают одна от другой. Иными словами, в качестве замедлителя должны применяться вещества, атомы которых практически не захватывают нейтронов.
Механизм замедления нейтронов путем упругих столкновений с ядрами атомов легких элементов: а — водорода; б — углерода.
Из законов механики следует, что если замедлять скорость движущегося тела путем упругих столкновений его с другим неподвижным или медленно движущимся телом, то наибольшее количество энергии теряется в том случае, когда массы обоих сталкивающихся тел одинаковы.
Выходит, что для замедления нейтронов нужно применять ядра легких атомов — например, водорода, масса которого почти равна массе нейтрона.
Чтобы замедлить до тепловой энергии нейтрон, вылетевший при делении ядра урана, потребуется всего лишь 18 упругих столкновений его с ядрами водорода. После этого энергия движения нейтрона делается примерно равной энергии движения атомов замедлителя, которая, как мы знаем, определяется его температурой. Никакой замедлитель, однако, не может уменьшить энергии нейтронов ниже энергии движения своих молекул. А энергии молекул газа при комнатной температуре (20°С) распределены около значения 0,025—0,030 эв.
Если же нейтрон замедлять ядрами атомов углерода, которые в 12 раз тяжелее нейтрона, то при тех же 18 столкновениях нейтрон потеряет всего лишь 14% своей первоначальной энергии. И чтобы замедлить его до тепловой энергии, потребуется уже 114 столкновений с ядрами углерода, то есть в шесть раз больше, чем при использовании ядер водорода.
Казалось бы, лучшим замедлителем и должен быть обычный водород, но, к сожалению, ядра его атомов легко захватывают нейтроны, превращаясь при этом в ядра дейтерия. А вот ядра дейтерия (дейтроны) нейтронов уже не захватывают, и понадобится всего 25 столкновений, чтобы замедлить их до тепловых скоростей.
Хорошим замедлителем был бы гелий: он и легок, и, как выяснилось, сравнительно мало поглощает нейтронов. Но это газ, и ему, так же, как и водороду, невозможно придать требуемую плотность, даже если сжимать до сверхвысоких давлений.
После длительных поисков оказалось наиболее выгодным и целесообразным в качестве замедлителя нейтронов применять водород, но только входящий в состав молекул обычной воды, и тяжелый водород — дейтерий (1Η2), который входит в состав так называемой тяжелой воды, а из твердых тел с наименьшим атомным весом — углерод (графит).
ВОДА, КОТОРАЯ ТЯЖЕЛЕЕ... ВОДЫ
Что же это за тяжелый водород и тяжелая вода?
Еще в 1920 году Резерфорд и Харкинс одновременно предсказали возможность существования изотопа водорода, масса которого была бы вдвое больше обычного. В 1931 году была предпринята попытка получить этот изотоп. Для этого стали испарять очень большое количество жидкого водорода, рассчитывая на то, что обычный водород испарится скорее, чем его более тяжелый изотоп. Так и получилось. Обнаруженный изотоп — тяжелый водород — был назван дейтериумом или дейтерием, а его ядро — дейтроном.
Однако такой способ получения дейтерия оказался очень сложным и дорогим. Поэтому ученые вместо выпаривания жидкого водорода обратились к обыкновенной воде. Раз в природе могут существовать атомы тяжелого водорода, а вода—соединение кислорода и водорода, то тяжелый водород обязательно должен входить в состав молекул так называемой тяжелой воды и его можно выделять из обыкновенной воды, разлагая ее электрическим током. Такая тяжелая вода действительно была обнаружена в виде ничтожной примеси к обыкновенной воде (0,015%).
В отличие от обыкновенной воды (Н2О), молекула тяжелой воды (D2O) содержит тяжелый изотоп водорода — дейтерий (1Η2). Ядро этого изотопа водорода состоит из протона и нейтрона.
Из таблицы видно, что свойства обыкновенной и тяжелой воды различны.
Свойства обыкновенной и тяжелой воды
На живой организм тяжелая вода действует угнетающе, в больших же количествах она ядовита. Семена, пропитанные тяжелой водой, не всходят; рыбы, помещенные в нее, через короткое время погибают.
Свойства тяжелой воды.
Производство тяжелой воды оказалось делом весьма долгим, сложным и трудным. Для того чтобы получить 1 кг тяжелой воды, надо разложить не менее 6 т обыкновенной воды, затрачивая на это огромное количество электроэнергии. Поэтому очень часто вместо тяжелой воды в качестве замедлителя используют графит предельно возможной химической чистоты.
КРИТИЧЕСКАЯ МАССА
Хорошо известно, что никакими силами поджечь и заставить гореть дальше маленький кусочек угля невозможно. В то же время большая куча угля горит преотличнейшим образом. Причина этого, казалось бы, непонятного противоречия заключается в том, что химическая реакция горения топлива, идущая при температуре 500—600° может поддерживать сама себя только в том случае, если выделяющееся при этом тепло в состоянии непрерывно нагревать до такой же температуры и соседние слои топлива. А это возможно лишь тогда, когда приток тепла к зоне горения превышает его потери через поверхность еще холодного топлива. И чем меньше кусочек угля, тем относительно больше его поверхность (по отношению к массе), через которую может улетучиваться это тепло. Так, например, у шара диаметром 20 см отношение поверхности к объему составляет всего 0,3, в то время как у шарика диаметром 2 см это же соотношение будет равно 3, то есть в 10 раз больше. Естественно, что при горении малый шарик будет терять в 10 раз больше тепла, чем крупный.
Потери эти могут быть столь велики, что самоподдерживающейся реакции горения не получится.
Нужен какой-то определенный минимальный физический объем топлива, который назовем критическим.
Для того чтобы началась саморазвивающаяся цепная реакция деления ядер атомов урана-235 или плутония-239, нужно, чтобы после того, как какое-то одно самопроизвольно разделившееся ядро атома выбросит два или три нейтрона, эти нейтроны обязательно попали в соседние ядра атомов делящегося вещества и разделили в среднем хотя бы чуть- чуть больше одного ядра, а те выбросили тоже чуть-чуть больше одного нейтрона, и т. д., умножаясь на какую-то величину (коэффициент размножения К) с каждым новым поколением.
Но нейтроны могут и не попадать в ядра соседних атомов. Объем I г урана равен 0,053 см3 и содержит 2,56 · 1021 атомов. А если сложить ядра этих атомов вместе, то они займут только 4,1 · 10-13 см3, или одну десятитриллионную долю объема этой горошинки урана, или примерно столько же пространства, сколько шарик объемом 1 мм3 по сравнению с Солнцем. Сплошная пустота!
В этих условиях нейтроны будут безнадежно «промазывать» мимо цели и вылетать из кусочка урана наружу. Никакой цепной реакции деления ядер урана не получится.
Но если взять слиток урана весом в несколько десятков килограммов, тс есть сферу диаметром 25—30 см, то вероятность вылета нейтронов, не задевших по пути ядер атомов урана, будет сводиться к минимуму. Следовательно, для осуществления цепного процесса в уране необходимо, чтобы слиток его был не меньше определенного объема или чтобы его масса была не меньше определенной, критической массы.
Но все сказанное относится к слитку, состоящему только из одного делящегося вещества — урана-235 или плутония-239. А в природном уране делящегося изотопа — урана-235 — содержится всего 0,7%. Следовательно, чтобы выбрасываемые при делении ядер урана-235 нейтроны тут же не поглощались ядрами урана-238, составляющего остальные 99,3% массы природного урана, его нужно разделить на какие-то малые порции, например, в виде небольших патронов, стержней или пластин, и отделить одну от другой сплошной массой замедлителя нейтронов. Это необходимо для того, чтобы вылетающие из таких небольших порций урана нейтроны (от разделившихся ядер урана-235) с энергией 1—2 Мэв попали в соседнюю порцию уже замедленными до тепловых скоростей — 0,03 эв и, избежав тем самым опасности поглощения ядрами урана-238, могли наткнуться там на ядра атомов урана-235 и разделить их при самых благоприятных для этого условиях.
Цепная реакция в уране может возникнуть лишь при определенных размерах слитка. При малом объеме слитка (а) большинство нейтронов вылетает за его пределы. При большом объеме слитка (б) большинство нейтронов успевает делить ядра атомов урана. При использовании отражателя нейтронов количество урана (в) для начала в нем цепной реакции может быть значительно меньшим.
Такое рассредоточение урана на малые порции вперемежку с веществом замедлителя увеличивает общую критическую массу урана, в которой может быть возбуждена и поддерживаться цепная реакция деления. Вместо нескольких килограммов для чистого урана-235 или плутония-239 она для природного урана будет равняться уже нескольким десяткам тонн! Соответствующим образом увеличится и ее объем.
КОГДА ОПОЗДАТЬ ЕЩЕ ДАЛЕКО НЕ ПОРОК
Исходя из указанных выше фактов и соображений. Э. Ферми с сотрудниками приступил к конструированию установки, в которой происходило бы контролируемое высвобождение внутриядерной энергии. О других целях этого мы расскажем немного позднее.
Эта установка представляла собой громоздкое сооружение, в котором были совмещены блоки природного урана и замедлителя, а называлась она ядерным реактором.
Но, кроме замедлителя, в ней необходимо было еще одно приспособление, предназначенное, как это ни странно, для поглощения нейтронов.
«Как же это так? — спросит читатель. — Ведь нужно было специально подбирать замедлитель, чтобы он ни в коем случае не содержал веществ, сколько-нибудь заметным образом поглощающих нейтроны. С этой же целью требовалось тщательно очищать уран. Зачем же здесь нужны поглощающие вещества?»
Дело в том, что рассчитать точно величину коэффициента размножения нейтронов очень трудно. Кроме того, число нейтронов в реакторе по ряду причин может самопроизвольно увеличиваться или уменьшаться. И, наконец, для того чтобы реактор начал работать, его надо запустить.
Все это связано между собой цепью очень сложных и тонких взаимодействий, объяснить которые на данной стадии изложения просто невозможно. Поэтому скажем о самом главном.
Для того чтобы в ядерном реакторе вообще могла возникнуть цепная реакция, нужно, чтобы в нем находилось такое количество урана и графита, при котором коэффициент размножения нейтронов хотя бы на ничтожно малую величину превышал единицу, то есть каждое деление ядра урана-235 сопровождалось бы появлением в среднем чуть-чуть больше одного нейтрона.
В килограмме урана-235 имеется примерно 2,57 · 1024 атомов. И даже если цепной процесс в слитке был начат всего одним нейтроном, то все это буквально астрономическое количество атомов разделится приблизительно за миллионную долю секунды! И если цепную реакцию деления искусственно не замедлять (то есть не управлять ею), она окончится мгновенным взрывом.
Даже при всех удивительных достижениях современной электроники немыслимо создать контрольные устройства, способные столь быстро отзываться на изменение уровня мощности реактора.
Однако были некоторые соображения и такого порядка, что работу реактора все же можно весьма надежно и сравнительно легко контролировать, если учесть наличие так называемых запаздывающих нейтронов.
Что это за нейтроны, почему, куда и как они запаздывают?
Для этого нам придется снова вернуться к процессу деления ядер урана-235 или плутония.
Дело в том, что два-три нейтрона, выбрасываемые в среднем при каждом таком делении, появляются не все сразу, а в разное время.
Сначала вылетают мгновенные нейтроны, составляющие примерно 99% от общего числа всех нейтронов.
Для этого требуется не больше 10-12сек с момента захвата нейтрона ядром атома урана. И если бы существовали только они одни, то возможно, что еще очень долгое время о каком-либо контроле цепной реакции в делящихся веществах вообще не было бы даже и речи.
Однако, к счастью, остальные нейтроны испускаются осколками деления и запаздывают с вылетом примерно от 0,0001 сек до нескольких минут по сравнению с мгновенными нейтронами.
Поэтому, если даже мгновенно остановить реактор, введя в него вещества, особо жадно поглощающие нейтроны, то в нем еще можно обнаружить испускание нейтронов, выбрасываемых продуктами деления.
Именно эти запаздывающие нейтроны и подали мысль о возможности контролировать ход цепной реакции, так как только за их счет коэффициент размножения можно очень точно сделать равным единице.
Поясним это условным примером.
Допустим, среднее время жизни запаздывающих нейтронов равно примерно 10 сек. Тогда среднее эффективное время жизни всей совокупности нейтронов в делящемся уране должно резко увеличиться и стать равным приблизительно 0,1 — 1,0 сек.
При таком времени жизни нейтронов появляются уже реальные возможности надежно контролировать реактор не только при помощи любых автоматических устройств, но и вручную.
Мы уже говорили, что некоторые вещества жадно захватывают нейтроны. Таковы, например, бор и кадмий.
Если некоторое количество длинных плоских стержней, покрытых с обеих сторон такими поглощающими нейтроны веществами, заранее ввести в ядерный реактор при его сборке, то, даже если количество урана в нем будет заведомо превышать критическую массу, цепная реакция не возникнет, так как коэффициент размножения нейтронов все равно будет меньше единицы. Они почти все будут «съедаться» ядрами атомов кадмия или бора. И чтобы пустить реактор в работу, нужно начать постепенно выводить из него один за другим поглощающие стержни. В какой-то момент коэффициент размножения нейтронов станет равным единице, а затем чуть- чуть превысит ее, допустим на 0,001 долю. Однако никакого мгновенного взрыва не наступит, так как увеличение коэффициента размножения нейтронов будет осуществляться не за счет основных, быстрых нейтронов (для которых К будет все еще меньше единицы), а главным образом за счет запаздывающих нейтронов. Вследствие этого увеличение мощности реактора примерно в 10 тысяч раз произойдет не в течение миллионных долей секунды, а в пределах 0,1—1,0 сек или дольше.
Таким путем, выдвигая контрольные стержни на ту или иную величину, можно довольно точно установить любой требуемый уровень мощности реактора — от нуля до его предельной проектной мощности, причем на каждой такой ступени коэффициент размножения нейтронов (быстрых плюс запаздывающих) можно всегда сделать точно равным единице. И автоматическим устройствам, управляющим движением контрольных стержней, не составит труда выдерживать его с абсолютной точностью.
Как только мощность реактора превысит заданную, автоматическое устройство чуть-чуть опустит стержни внутрь. Сразу же начнет поглощаться большее число нейтронов, и коэффициент размножения снова упадет до единицы.
Теперь осталось разобрать еще один очень важный вопрос, который особенно интересовал первых конструкторов атомных реакторов.
Куда деваются нейтроны, которые поставляют делящиеся ядра урана-235? Часть из них уходит наружу, часть делит следующие ядра, а часть захватывается ураном-238 и примесями. Это мы уже знаем. Но если захват нейтронов ядрами примесей вреден и мы стремимся свести его к нулю, то можно ли это сказать о захвате ядрами урана-238?
Конечно, нет. Ведь эти ядра под действием нейтронов образуют плутоний — новое, искусственное делящееся вещество. Немного раньше мы даже задавали вопрос о том, какой же источник нейтронов надо иметь, чтобы получить плутоний в достаточно больших количествах. Теперь этот источник найден.
Атомный реактор одновременно является и источником энергии, и своего рода фабрикой для получения плутония.
Конструкторов первого ядерного реактора больше интересовала именно эта сторона вопроса, так как они искали способы получения сырья для атомных бомб. В атомном реакторе они нашли источник необходимых для этого нейтронов.
Вот, пожалуй, и все, что нужно предварительно знать, чтобы зажечь первый в мире «атомный костер»
Его мощность была заранее ограничена небольшой величиной, но ученые имели дело с неизвестной и грозной силой, поэтому необходимо было заранее обезопасить себя. Ведь в случае ошибочности всех этих предварительных соображений и расчетов ядерная реакция могла оказаться неконтролируемой, а реактор — добровольно и неосторожно взорванной в лаборатории атомной бомбой.
«ЗЕРКАЛО» ДЛЯ НЕЙТРОНОВ
Если бы при конструировании ядерного реактора его мощность и другие свойства зависели только от одной критической массы используемого делящегося вещества, то количество потребного урана достигало бы нескольких десятков, а возможно, и сотен тонн, при соответственных размерах всего сооружения. Поэтому еще до реального воплощения в жизнь идеи создания ядерного реактора ученые были вынуждены заняться вопросом: при каких условиях критическая масса делящихся веществ чистого урана-235 и природного урана (урана-238), а одновременно и размеры самого реактора могут быть сведены к возможному минимуму? И, в частности, нельзя ли найти способ резко уменьшить количество нейтронов, безвозвратно покидающих массу делящегося вещества, не встретив на своем пути подлежащего делению ядра атома урана-235?
Ведь по мере нарастания числа делящихся ядер урана-235 количество таких вылетающих из реактора нейтронов будет непрерывно увеличиваться, пока не установится состояние равновесия, при котором увеличение числа нейтронов за счет деления атомных ядер будет полностью компенсироваться числом нейтронов, покидающих пределы реактора.
Тогда число делений в единицу времени достигнет предельной величины, то есть реактор достигнет уровня своей мощности.
Естественно, чем меньше размеры реактора, тем скорее наступит такое равновесие, тем меньше будет мощность всей установки. В самом маленьком реакторе цепная реакция может вообще не наступить; ведь чтобы вылететь из такого реактора наружу, нейтронам приходится пролететь сравнительно небольшое расстояние, и они не успевают встретиться с ядрами урана-235.
А что, если принять меры к возврату вылетевших за пределы реактора нейтронов? Тогда размеры установки можно было бы значительно уменьшить, не изменяя ее мощности.
Достигается это тем, что вокруг реактора сооружается довольно толстая оболочка из вещества, хорошо отражающего нейтроны, например графита. Отражатель — это тот же замедлитель. Ведь нейтроны после соударений с ядрами замедлителя могут отразиться и назад.
Претерпев многократные отражения при столкновении с ядрами отражателя, большая часть нейтронов направится обратно в реактор. Следовательно, число потерянных нейтронов сократится, и тогда размеры реактора можно значительно уменьшить.
«КОСТЕР» В ЛАБОРАТОРИИ
2 декабря 1942 года в г. Чикаго (США) в графитово-урановом штабеле, или, как его называли иначе, котле, собранном из урановых стержней, разделенных графитовыми блоками, была возбуждена впервые в мире цепная ядерная реакция. Главным действующим «лицом» в ней был нейтрон, замедленный многократными столкновениями с ядрами атомов графита до тепловой скорости.
Чтобы уберечь себя от неожиданностей, с самого начала сборки внутрь штабеля были вставлены пластины, покрытые с двух сторон слоем кадмия. Количество кадмия было достаточно велико, чтобы «в случае чего» захватывать все образующиеся в расщепляемом уране нейтроны.
Сборка штабеля производилась таким образом.
Из графитовых блоков вокруг будущего реактора воздвигалось нечто вроде колодца со сплошными стенами и дном толщиной около 60 см. Эта сплошная оболочка должна была служить отражателем нейтронов.
Внутреннее устройство первого ураново-графитового ядерного реактора.
Нейтроны, которые по тем или иным причинам вылетели бы из реактора, не выполнив предназначенной им работы — расщепления соседних ядер урана-235, — попав в этот сплошной слой углерода, отражались бы от него обратно в реактор.
Дальше внутри колодца-отражателя выкладывались слои графитовых блоков: один слой сплошной, другой слой из блоков с двумя отверстиями, в которые вставлялись запаянные в алюминиевые рубашки слитки металлического урана весом примерно по 2,5 кг каждый.
Получалась объемная металлическая решетка, в которой каждый слиток урана в рабочем блоке был обязательно отделен от соседнего слитка слоем графита толщиной в один сплошной графитовый блок. Схема этого реактора показана на рисунке.
Помимо каналов для введения кадмиевых пластин, в теле штабеля было оставлено большое число отверстий, проникающих в него на различную глубину. В отверстия помещались чувствительные счетчики. Задачей их было улавливать появление, а затем и нарастание признаков возникшей в реакторе цепной реакции — радиоактивных частиц, гамма-излучений и нейтронов.
По мере добавления числа урановых блоков одна из кадмиевых пластин, первоначально полностью опущенных внутрь штабеля, постепенно из него извлекалась.
И вот, наконец, когда был выложен 50-й слой блоков с ураном и полностью извлечен один из кадмиевых стержней, началась, как это и ожидалось, контролируемая цепная реакция. После этого сверху было добавлено еще несколько слоев сплошных графитовых блоков—крышка, отражающая нейтроны, — и началось длительное и тщательное изучение хода этой новой для физики реакции.
Первый котел имел довольно большие размеры: 9 X 6,3 X 9,6 м. Общий вес — более 1400 т.
Он содержал примерно 52 т урана, из которых около 10 т, помещенных в 3200 патронов, были чистым (металлическим) ураном, а остальные 14500 патронов наполнены окисью урана, так как в то время металлического урана на весь «штабель» еще не хватало.
На замедлитель и отражающий слой пошло около 472 т графита.
Контроль и управление ходом реакции осуществлялись вдвиганием и извлечением пяти бронзовых пластин длиной около 5,2 м каждая, покрытых кадмием.
Этот первый ядерный реактор был еще очень несовершенным. Его тепловая мощность сначала была до смешного мала — всего лишь 1/20 вт. Поистине комариная мощность!
Лишь позднее котел стал давать 200 вт.
Реактор не имел системы принудительного охлаждения; полученную от него энергию никак не использовали. Наконец, и система защиты от радиоактивных излучений в первом опытном экземпляре отсутствовала.
Но ученых интересовало не это.
Теоретические расчеты, предсказания, относящиеся не только к конструкции данного реактора, но и ко всему с таким трудом возводимому зданию ядерной физики, могли разлететься вдребезги или же, наоборот, получить самое наглядное и бесспорное подтверждение в зависимости от работы этой первой установки. Это была проверка опытом всей предыдущей, почти полувековой, работы физиков, первая попытка получить реальную энергию от ядерной реакции.
Зарождалась новая эра — эра атомной энергии.
Что касается самого реактора, то предсказания относительно происходящих в нем процессов оправдались. Все они в основном были именно такими, какими их и ожидали увидеть ученые.
На самом деле все происходило не так уж гладко, в обстановке временных неудач и опасений, вскоре сменившихся ликованием ученых.
Пуск первого атомного реактора, как и следовало ожидать, открывал множество дорог, по каждой из которых теперь надлежало отправить очень сильный отряд ученых. И трудно было предвидеть, встретятся ли они еще где-нибудь друг с другом, кто пойдет дальше, кто вернется назад, откуда и куда надо будет направить подкрепления и т. д.
В капиталистических странах самый большой отряд ученых в первую очередь направили на производство атомного горючего: урана-235 и плутония, необходимых для производства самого страшного оружия современности — атомной бомбы.
АТОМНАЯ БОМБА
Мы уже говорили, что деление одного ядра урана-235 происходит в течение ничтожно малого промежутка времени, равного приблизительно одной стомиллионной доле секунды. И если при каждом делении выбрасывается два-три нейтрона, каждый из которых, в свою очередь, делит по одному новому ядру, то примерно за одну миллионную долю секунды успевают разделиться все 2,57 · 1024 атомов, содержащиеся в 1 кг урана-235. Произойдет взрыв огромной разрушительной силы, в ходе которого выделится энергия, соответствующая взрыву приблизительно 2500—3000 т самого сильного химического взрывчатого вещества.
Однако такой взрыв может произойти только, если количество взятого урана-235 равно или больше критической массы.
Для того чтобы началась цепная реакция, помимо критической массы, слиток урана-235 должен еще обладать и самой компактной формой (максимальным объемом при минимальной поверхности).
Для возникновения цепной ядерной реакция деления при одном и том же объеме урана наиболее выгодная форма — шар.
Установить ее было самой трудной задачей и очень большим риском при конструировании атомной бомбы. Ведь любые вычисления могли оказаться неточными, а ошибка в этом случае наказывалась бы очень жестоко — атомным взрывом.
Схема устройства атомной бомбы. Два слитка урана с некритической массой (полушария), выстреленные навстречу один другому, мгновенно соединяются вместе, образуя критическую массу наиболее благоприятной формы (шар).
Одна из возможных конструкций атомной бомбы показана на рисунке. В ней критическое количество урана (или даже несколько большее) разделено на две полусферы, каждая из которых заведомо меньше критической величины.
Полусферы разведены на достаточно далекое расстояние одна от другой, и в этом положении цепная реакция в них возникнуть не может. Бомба совершенно безопасна.
Если теперь очень быстро сблизить полусферы, например выстрелить ими одна в другую, то в момент их соединения масса общего слитка превысит критическую, возникнет саморазвивающаяся ядерная цепная реакция и произойдет взрыв.
Критическая масса каждой полусферы может быть уменьшена, если ее окружить оболочкой, отражающей нейтроны обратно в слиток урана.
Быстро сближать полусферы нужно потому, что цепная реакция в общей сфере уже начинается за ничтожно малую долю времени до полного сближения полусфер и силой начавшегося взрыва куски урана могут быть разбросаны по сторонам еще до деления всех заключенных в них ядер. Препятствует этому и тяжелая плотная оболочка, окружающая бомбу. По некоторым опубликованным в зарубежной печати данным, в атомной бомбе может быть всего лишь несколько килограммов урана-235 или плутония-239.
ЕЩЕ РАЗ О НЕЙТРОНЕ
Говоря до сих пор о захвате или поглощении нейтронов ядрами атомов различных элементов, например ядрами урана-238, мы намеренно упрощали истинную картину явления. На самом деле этот процесс обладает удивительно сложным, мы бы сказали, «хитрым» характером.
Итак, откуда у нейтрона столь необычные, резко отличные от других ядерных частиц свойства и способности, хотя и у тех имеется более чем достаточно своих собственных удивительных свойств.
Мы уже упоминали ранее, что, аналогично кванту света, любой движущейся частице материи наряду с корпускулярными свойствами присущи также и свойства волны.
Так как масса нейтрона, по сравнению с любым, даже ультрамикроскопически малым телом, ничтожно мала, то в явлениях, господствующих в микромире, длина присущей этой частице волны становится вполне ощутимой величиной и в достаточной мере начинает проявляться по мере замедления скорости нейтрона.
Нейтронам с высокой скоростью (энергией) движения соответствует такая малая длина волны, что их волновые свойства практически не проявляются.
Скорость нейтрона, однако, можно настолько замедлить, что он полностью потеряет свойства частицы и будет вести себя только как заправская волна света. Такие волны даже способны отражаться от хорошо полированных поверхностей, преломляться при переходе из одной среды в другую и т. д.
По этой причине возникают явные осложнения в установлении истинных размеров нейтрона, ибо они, как это ни покажется странным, зависят от скорости движения этой частицы. Например, диаметр атома лежит в пределах 2—4 · 10-8см, диаметр ядра атома еще меньше — примерно 10-13 см. Наконец, поперечник протона едва достигает 2 · 10-14 см. А вот диаметр теплового нейтрона, обладающего энергией в 0,03 эв, равен 2 · 10-8 см, то есть диаметру всего атома. Дальше начинаются уже сплошные парадоксы. Нейтрон оказывается в десятки тысяч раз больше диаметра ядра, которое, в свою очередь, заключает в себе нейтроны, и не один, а порой очень много. Странно, но факт!
Такая невероятная способность частицы, «каких не бывает» при определенных условиях, как бы разбухать, целиком зависит только от ее волновых свойств.
Поэтому будет более правильным представлять себе нейтрон со столь малой энергией не как частицу, а как волну длиной 2 · 10-8 см.
Обладая длиной волны такой протяженности, нейтрон и ведет себя, словно его размеры действительно соответствуют диаметру атома.
В том случае, когда нейтрон движется с очень большой скоростью, ему присуща малая длина волны. Тогда он проявляет уже свойства частиц. А большая скорость, как мы уже знаем, означает и большую энергию. Поэтому, чтобы находиться внутри ядра атома, нейтрон должен обладать энергией не менее 50 Мэв. Именно при такой энергии (скорости) движения длина его волны будет равна или меньше 10-13 см.
Можно было бы, пожалуй, обойтись и без этих сложностей, но тогда многое из того, что излагалось ранее, а особенно то, о чем мы собираемся говорить дальше, может показаться противоречивым, странным. Помня же двойственные особенности поведения нейтрона: или быть больше частицей (а следовательно, и уменьшить свои размеры), или быть больше волной (а следовательно, как бы разбухать) в зависимости от скорости (энергии) его движения, — эти противоречия и странности уже не будут каждый раз казаться слишком неестественными или искусственно придуманными учеными, чтобы как-то обойти возникшие трудности.
А они возникают на каждом шагу, так как все основные ядерные реакции имеют характер столкновений быстро или медленно движущихся частиц или квантов излучения с ядрами атомов других веществ. Следовательно, чисто ядерные свойства и тех и других должны определяться некоторой величиной, дающей представление о вероятности их взаимного столкновения, — так называемым поперечным сечением ядра атома и ядерных частиц.
Эта величина, совершенно не употребительная в обычной физике, является, как мы только что видели на примере с нейтроном, совершенно необходимой в физике атомного ядра.
Представьте себе, что вы охотитесь и стая птиц пролетает над вашей головой. Вероятность попасть из дробовика в одну из них пропорциональна размерам цели или, более точно, — поперечному сечению (площади) цели в момент выстрела.
Естественно, что шансы попасть в коршуна при этом значительно выше, чем, скажем, в воробья. А если бы птицы были размером со слона, результаты стрельбы были бы еще более успешными. Более того, если бы размер каждой дробинки в момент встречи с целью увеличился до размера футбольного мяча, шансы попасть в нее увеличились бы еще больше.
Другими словами, возможность встречи между дробью и дичью прямо пропорциональна размерам цели и применяемого снаряда. Эти шансы увеличивались бы или уменьшались, если бы в силу некоего волшебства и дробинки, и цель могли бы в случае нужды увеличиваться в размерах порознь или одновременно.
Приблизительно то же самое происходит, когда мы направляем поток частиц на какое-либо вещество.
Часть их сразу же столкнется с атомами облучаемого вещества, другие же пролетят мимо. Если размер частиц- снарядов» и атомов мишени при этом можно каким-то образом увеличить (для нейтрона это достигается замедлением его скорости), то их шансы столкнуться резко увеличиваются. И наоборот.
Таким образом, поперечное сечение частиц и атомов — это мера вероятности их столкновения. Большее поперечное сечение (или просто сечение) соответствует большей вероятности столкновения.
Термин «поперечное сечение» оказался весьма удобным для описания целого ряда явлений ядерной физики. Например, когда мы говорим, что уран-235 имеет некоторое поперечное сечение деления, это, естественно, относится к вероятности. Когда на идеально тонкую пленку урана направлен пучок нейтронов, то некоторое количество их столкнется с ядрами урана и вызовет их деление. Когда же мы говорим о поперечном сечении ядра атома упругому столкновению, это означает вероятность таких столкновений, при которых не происходит поглощения и частицы отскакивают одна от другой, как идеальные бильярдные шары.
Каким же в таких случаях может быть поперечное сечение ядра атома?
В большинстве случаев ядро атома ведет себя так, как если бы оно имело диаметр, равный примерно 10-13 см, или поперечное сечение порядка 10-24 см2. Эта величина, принятая за единицу измерения, называется барн. Она изменяется, увеличиваясь от легких элементов к тяжелым, а также, что очень важно и о чем мы говорили до этого, от характера ядерной реакции, типа обстреливающих частиц и их энергии (скорости)
Поперечное сечение в 1 барн считается вообще большим.
С какими же поперечными сечениями атомов мы имеем дело при ядерных реакциях?
Больше всего нас интересует поперечное сечение делящихся веществ, в частности урана-235, плутония-239 и урана-233.
Когда ядро атома урана-235 делится на два осколка, выбрасываемые этими осколками лишние нейтроны имеют весьма большую энергию, равную в среднем 2 Мэв.
Поперечное сечение деления ядра урана-235 для таких обладающих высокой энергией нейтронов получается относительно небольшим. Большая часть их проскакивает мимо. Однако оно оказывается весьма большим для очень медленных нейтронов, движущихся с тепловыми скоростями около 0,03 эв. И тогда последним очень трудно избежать столкновения с ядрами урана-235.
Вот почему, если нужно возбудить в уране-235 цепную реакцию деления, крайне выгодно замедлить скорость нейтронов. Это можно сделать, если заставить быстрые нейтроны сталкиваться с ядрами атомов тех веществ, столкновения с которыми носят упругий характер.
Однако искусственно создавая такие столкновения, мы должны быть уверены, что нейтроны не ввязываются в какой-либо процесс поглощения, или, иначе, вещество замедлителя должно иметь как можно большое поперечное сечение для упругих столкновений и как можно малое для захвата и поглощения нейтронов.
Здесь следует подчеркнуть важность предельной чистоты применяемых в качестве замедлителя материалов. Например, если в качестве замедлителя применяется углерод, «загрязненный» присутствием всего 10 частей бора на миллион частей· углерода, число нейтронов, поглощенных только этой примесью бора, будет равно числу нейтронов, поглощенных всей остальной массой углерода.
Борьба между полезным и вредным использованием нейтронов и является предметом постоянной заботы ученых.
Если мы построим кривую зависимости поперечного сечения урана-238 от энергии нейтронов, то увидим, что эта кривая имеет острый максимум, или резонанс, где-то около 7 эв, между энергией нейтронов, вылетающих из делящихся ядер урана-235 (2 Мэв), и энергией, требуемой для наиболее легкого деления урана-235 (0,03 эв).
Но если мы начнем просто замедлять нейтроны, то неизбежно понесем большие потери, когда будем приближаться и проходить через область резонансного поглощения нейтронов в уране-238.
И еще одно обстоятельство.
Когда ядерное горючее претерпевает процесс деления, из него образуются элементы, занимающие место в середине периодической таблицы элементов. Некоторые из этих атомов имеют малое поперечное сечение поглощения нейтронов, другие, наоборот, очень большое и играют роль паразитов, уменьшающих количество нейтронов.
Поэтому, во избежание «зашлаковывания» ядерного горючего, продукты деления должны как можно скорее из него удаляться. К сожалению, это не всегда выполнимо.
ДОРОГА В «ЗАУРАНЬЕ»
В начале главы мы уже говорили, правда очень кратко, об одном из самых удивительных и, пожалуй, самых длительных заблуждений, в результате которого величайшее научное открытие нашего века — деление ядер атомов урана при его бомбардировке нейтронами — задержалось по крайней мере на пять лет. Правда, зная, что произошло впоследствии, к такому запозданию можно, пожалуй, полностью применить пословицу: «Нет худа без добра».
Гениальное чутье Э. Ферми, об этом мы тоже упомянули только вскользь, все же привело к открытию в 1940 году американскими учеными уже подлинных трансурановых (заурановых) элементов — 93-го нептуния и 94-го плутония.
Чудеса потому и называются чудесами, что случаются не часто и не подряд, и, естественно, второго чуда подобных же масштабов и последствий не произошло.
Параллельно с огромным размахом работ по получению делящихся веществ усилия ученых США, куда в конце концов перекочевали не только все работы в области получения трансурановых элементов, но и большинство их инициаторов из окружения Ферми, сосредоточились на бомбардировке тяжелых элементов, в том числе и первых трансурановых — нептуния и плутония, тяжелыми частицами — ядрами дейтерия, альфа-частицами и многозарядовыми ионами в специально сконструированных мощных ускорителях.
В общей сложности с 1940 года и по настоящее время было получено 12 искусственных трансурановых элементов — примерно по одному новому элементу каждые два года.
Эти 12 элементов занимают места с 93 по 104 в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Их массовые числа лежат в пределах от 231 до 260.
Два из них — плутоний и нептуний, превращающийся затем в плутоний, — в настоящее время производятся тоннами. Пять были получены в заметных количествах, а атомы остальных элементов — буквально поштучно.
В порядке атомных номеров новым элементам были даны следующие названия:
Каждый из этих элементов имеет по нескольку изотопов. Всего было создано и изучено более ста изотопов трансурановых элементов.
Все их удалось получить, грубо говоря, «загоняя» один или два протона в ядро уже существующего элемента с помощью ускорителя частиц, хотя этого же результата можно добиться, добавляя в них один или несколько нейтронов.
Открытие деления ядер на многие годы затмило все другие достижения ядерной физики, в том числе и работы по созданию трансурановых элементов.
Несколько первых таких элементов были созданы в результате бомбардировки мишени, изготовленной тоже из трансуранового элемента, но с меньшим атомным весом. Например, первые несколько атомов 95-го элемента (америция) были получены в результате облучения потоком нейтронов плутония. И только через несколько лет удалось получить более ощутимое количество этого элемента, облучая плутоний уже в ядерном реакторе. Захватив последовательно один за другим два нейтрона, ядро атома плутония испускает электрон и превращается в ядро одного из изотопов америция.
Эта реакция выглядит так:
Элементы 96 (кюрий), 97 (берклий), 98 (калифорний) и 101 (менделевий) были впервые получены в результате бомбардировки плутония-239, америция-241 и кюрия-242 ядрами гелия. В каждом случае ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов, сливается с тяжелым ядром. При этом положительный заряд тяжелого ядра повышается на две единицы, а один или два нейтрона улетучиваются.
Элементы 99 (эйнштейний) и 100 (фермий) были обнаружены в радиоактивном облаке на высоте более 16 км, образовавшемся после первого термоядерного взрыва, произведенного США на одном из островов в южной части Тихого океана.
Исследования показали, что в результате термоядерного взрыва произошел совершенно необычный с научной точки зрения случай. Ядра урана-238, который также входил в состав взорванного устройства, оказались способными захватить сразу до 17 нейтронов! В результате образовался чрезвычайно тяжелый изотоп урана, имеющий атомный вес 255 (вместо 238), который в процессе последующего радиоактивного распада последовательно превращался в более тяжелые трансурановые элементы, включая 99 и 100.
Позднее были найдены другие способы получения этих же элементов в ядерном реакторе, создающем очень плотный поток нейтронов.
После того как была набрана некоторая толика эйнштейния, он был подвергнут бомбардировке ядрами гелия в циклотроне, в результате чего были получены атомы элемента с атомным номером 101, который открывал вторую сотню химических элементов периодической системы. В честь ее автора этот элемент был назван менделевием.
Ядерная реакция его образования выглядит довольно просто:
Через полтора часа половина его распадается, превращаясь в изотоп фермия, а тот, в свою очередь, сразу распадается на два осколка.
Путем головоломно сложных и длительных процессов выделения этого элемента, о которых, к великому сожалению, мы не имеем возможности рассказать даже «на бегу», было получено всего — 17 атомов!
С элементом 102 произошел целый ряд курьезов. После того, как о его открытии в 1956 году было объявлено сотрудниками Нобелевского института в Стокгольме, а затем в 1958 году — в США, выяснилось, что оба эти сообщения оказались несостоятельными. Этот элемент, который поторопились назвать нобелием, числится пока безымянным. Один из его изотопов был получен в 1961 году группой физиков в г. Дубне в процессе бомбардировки кюрия ионами углерода. Атомный вес этого изотопа равен 253, период полураспада около 3 сек.
Элемент 103 удалось получить только в апреле 1961 года после бомбардировки мишени из калифорния ионами бора, разгоняемыми в линейном ускорителе. Так как калифорний имеет атомный номер 98, а бор — атомный номер 5, ученые предположили, что если ядра этих двух элементов соединятся, то должен возникнуть элемент с атомным номером 103.
И хотя в распоряжении ученых имелось всего 3 микрограмма калифорния — количество, видимое только в микроскоп, —им удалось зафиксировать образование нового элемента в ходе следующей реакции:
то есть реакция в мишени сопровождается испусканием сразу пяти нейтронов!
В честь первого изобретателя циклотрона лауреата Нобелевской премии Э. О. Лоуренса элемент 103 был назван лоуренсием.
Честь создания элемента 104 целиком принадлежит коллективу советских физиков во главе с членом-корреспондентом Академии наук СССР Г. Н. Флеровым. Новый элемент был получен на уникальном ускорителе многозарядовых ионов, дающем в 100 раз более плотный поток частиц, чем все другие ускорители в мире. Опознать новый элемент удалось благодаря оригинальному методу непрерывного разделения продуктов ядерных взаимодействий, ибо период радиоактивного распада нового элемента с атомным весом 260 оказался равным всего 0,3 сек.
В результате многосуточных опытов было зарегистрировано 150 атомных ядер искомого элемента, что можно считать большим достижением.
Самое же важное заключается в том, что элемент 104 по своим химическим свойствам резко отличается от остальных трансурановых элементов и является химическим аналогом гафния (элемента 72), а следовательно, открывает новую группу сверхтяжелых элементов со специфическими химическими свойствами, что подтверждает правильность периодической системы элементов и в новой области трансурановых элементов.
Для получения элемента 104 мишень из плутония облучалась потоком ионов неона, в результате чего образовалось сильно возбужденное ядро этого элемента с атомным весом 264. В одном случае на миллиард оно испускало четыре нейтрона и оказывалось уже в невозбужденном состоянии с атомным весом 260. В честь советского физика И В. Курчатова первооткрыватели нового элемента предложили назвать его курчатовий.
Исходя из закономерностей периодической системы элементов, а также химических свойств некоторых уже изученных трансурановых элементов, ученые предполагают получить еще более тяжелые трансурановые элементы примерно до 126-го, если период их полураспада будет достаточно велик, чтобы успеть опознать их химически.
В качестве бомбардирующих частиц вместо ядер гелия, видимо, придется применять все более и более тяжелые ионы — азота, неона, углерода, а возможно, и тяжелее. Именно для этих целей в ряде стран построены ускорители многозарядовых ионов.
Может возникнуть вопрос: а есть ли какой прок добиваться получения этих элементов, особенно короткоживущих, можно ли ожидать их использования в какой-либо области ядерной техники?
В самом начале книги были показаны три семейства природных радиоактивных элементов, родоначальниками которых являются уран-238, торий-232 и актиний-235. Тот факт, что образуемые ими цепочки элементов находятся в процессе интенсивного радиоактивного распада, свидетельствует, что все они являются продуктами распада каких-то других, более тяжелых и тоже радиоактивных элементов, ныне в окружающей нас природе не существующих и цепочки которых, очевидно, простирались довольно далеко в сторону еще более тяжелых атомных весов.
Все, что можно узнать об этом, представляет собой огромный интерес для познания процессов мироздания, в частности происхождения и эволюции звезд и звездных систем.
Как мы уже говорили, плутоний является основой современной атомной энергетики и производится в больших количествах. Кюрий-242 может служить концентрированным источником энергии для компактных и в то же время мощных атомных батарей, так как обладает удачным сочетанием длительности полураспада (162,5 дня) с высокой энергией альфа- излучения.
Как можно будет использовать другие элементы, пока сказать трудно, но их изучение, бесспорно, откроет новые заманчивые области применения.
