Путешествие в Страну элементов

Фабрика изотопов

Вскоре после того как ученые получили первые искусственные радиоактивные изотопы, выяснилось, что самыми выгодными с энергетической точки зрения оказались реакции, при которых ядра взаимодействуют не с заряженными, а с нейтральными частицами, с нейтронами. Вот об этих реакциях и пойдет речь.

Исторически первой ядерной реакцией, которая привела к обнаружению нейтронов, было взаимодействие альфа-частиц с бериллием. Однако нейтроны, как оказалось впоследствии, можно получать и другими путями, например по реакции:

Известен еще один способ, приводящий к рождению нейтронов. Так, они возникают при действии протонов на мишень, содержащую изотоп лития:

Получающиеся по различным реакциям нейтроны обладают разной скоростью, разными энергиями.

Нейтроны оказались превосходными «снарядами» для «обстрела» атомного ядра. Ведь они не имеют заряда, а следовательно, не будут, как альфа-частицы или протоны, отталкиваться положительно заряженными ядрами. Ученые сразу же взяли нейтрон на «вооружение». Первым среди них был итальянский физик Энрико Ферми. В результате его экспериментов выяснилось, что большинство элементов периодической системы взаимодействует с нейтронами. Особенно хорошо протекали ядерные реакции с так называемыми медленными нейтронами.

Из физики известно, что если катящийся шарик сталкивается с неподвижным, наибольшее количество энергии (или максимальную скорость) неподвижный шарик получит в том случае, когда массы обоих шариков равны. То же самое происходило и с нейтронами. Лучше всего они замедлялись при соударениях с ядрами атомов водорода.

Однако при этом одновременно может происходить реакция:

В настоящее время лучшим замедлителем для нейтронов считается тяжелая вода, содержащая в своем составе вместо обычного водорода атомы его изотопа дейтерия ²₁Д, а также графит. И дейтерий и графит практически не взаимодействуют с нейтронами, то есть не поглощают, а лишь задерживают их.

В результате захвата ядрами медленных (или вообще любых) нейтронов чаще всего испускается гамма-квант и образуются изотопы тех же элементов, но с массовым числом на единицу больше. Однако в некоторых случаях после захвата медленного нейтрона из образовавшегося возбужденного ядра может вылетать протон или альфа-частица:

В начале 1934 года Ферми начал изучать действие медленных нейтронов на ядра урана. Результаты этих экспериментов превзошли все ожидания: в продуктах взаимодействия удалось обнаружить неизвестные изотопы каких-то элементов, испускающие бета-частицы. Но какие? Предположили, что взаимодействие урана с нейтронами происходит по схеме:

Но образующийся изотоп урана, как считал Ферми, не мог быть стабильным и легко испускал бета-частицы:

Поэтому Ферми высказал мысль, что при взаимодействии урана с нейтронами образуется новый, не встречающийся в природе элемент, который в периодической системе должен был располагаться за ураном. И хотя первый заурановый элемент — нептуний — был получен именно таким способом, оказалось, что в опытах Ферми фигурировал совсем не он…

Что именно получается в результате «бомбардировки» урана нейтронами, взялись выяснить французский ученый Фредерик Жолио-Кюри и серб Савич. Они пришли к неожиданному выводу: в продуктах взаимодействия урана с нейтронами присутствует элемент № 57 — лантан. Это было удивительно и непонятно: искали трансураны, а обнаружили элемент середины таблицы Менделеева. Объяснили непонятное явление немецкие радиохимики Ган и Штрассманн лишь в 1939 году.

Природный уран, как выяснили ученые, состоит из смеси трех изотопов с массовыми числами 238, 235 и 234. Первого из них, урана-238, в природном уране 99,28 процента; урана-235 — только 0,71 процента, а урана-234 — и того меньше. И вот обнаружилось, что с медленными нейтронами уран-235 взаимодействует очень своеобразно. Это приводит к совершенно новой ядерной реакции. Образовавшееся ядро изотопа урана-236 вместо испускания бета-частицы распадается на два осколка примерно равной массы с одновременным «рождением» двух или трех нейтронов. Схему такого взаимодействия урана-235 с нейтроном можно представить следующим образом:

При такой реакции выделяется громадная энергия и образующиеся осколки с большой скоростью разлетаются в разные стороны.

Это навело ученых на мысль о возможности проведения цепной реакции. Ведь выделяющиеся нейтроны могли и дальше взаимодействовать с новыми ядрами урана. Прошло немного времени, и в 1942 году впервые в истории человечества людям удалось провести первую цепную ядерную реакцию.

Давайте более подробно разберем реакцию между ядрами урана-235 и нейтронами. При этой реакции на каждый израсходованный нейтрон появляется два или три новых. Однако необходимо учесть несколько обстоятельств.

Во-первых, образуются «быстрые» нейтроны, обладающие большой энергией, и, чтобы они могли взаимодействовать с новыми ядрами урана-235, их необходимо замедлить.

Во-вторых, природная смесь изотопов урана содержит в основном изотоп с массовым числом 238, который тоже может взаимодействовать с нейтронами (см. уравнение на стр. 310).

И, в-третьих, если количество урана, принимающего участие в ядерной реакции, невелико, то образующиеся нейтроны могут на своем пути не встретить ни одного атома урана-235 и улететь за пределы уранового блока, так и не совершив больше ни одного деления.

Очевидно, все эти факторы необходимо учитывать, чтобы цепная реакция деления протекала успешно.

Казалось бы, проще всего отделить уран-235 от урана-238. Тогда в большой массе вещества нейтроны уже не смогут вылететь за пределы уранового блока, не совершив по пути ни одного деления. Не нужно беспокоиться и о замедлителе нейтронов: сами ядра урана справлялись бы с этой задачей.

Но уран-235 выделить в совершенно чистом виде крайне трудно. Ведь для разделения изотопов нельзя воспользоваться химическими методами и приходится опираться лишь на очень незначительную разницу в их физических свойствах. Кроме этого, поскольку количество нейтронов при делении возрастает лавинообразно, нет никакой возможности управлять такой реакцией. Наш кусок урана моментально бы взорвался, как только бы мы превысили его критическую^[7] массу.

Именно на таком принципе основана атомная бомба. Берут два куска урана (обогащенного изотопом ²³⁵₉₂U) с массами меньше критической, но с суммарной массой, превосходящей критическую, и помещают на некотором расстоянии друг от друга. В определенный момент времени при помощи специального механизма оба куска урана сдвигаются, происходит быстрое увеличение числа нейтронов (а следовательно, актов деления) и взрыв.

Тут мы должны немного отвлечься от нашей основной цели и рассказать об одном важном свойстве, которым обладают ядра атомов химических элементов. В настоящее время известно, что ядро любого атома имеет диаметр 10^–13–10^–12 квадратных сантиметра. Поэтому площадь поперечного сечения ядра можно для всех ядер принять равной приблизительно 10^–24 сантиметра. Эта единица в ядерной физике получила специальное название «барн». Сам нейтрон имеет примерно такую же площадь поперечного сечения.

И вот при изучении взаимодействия нейтронов с различными ядрами ученые подметили интересную особенность. Оказалось, что ядра различных элементов при взаимодействии с нейтронами ведут себя неодинаково: одни как бы уменьшаются в размере при приближении к ним нейтрона, а другие становятся «толще».

Попробуем объяснить это явление нагляднее. Пусть мы стреляем в пятикопеечные монеты, лежащие плашмя на столе на некотором расстоянии друг от друга, шариками, имеющими диаметр, одинаковый с пятикопеечными монетами. Здесь возможны только два варианта: некоторые шарики попадут в монеты, а некоторые — в промежутки между ними.

Не то происходит при взаимодействии ядер с нейтронами. Допустим, что расположенные плашмя на столе пятикопеечные монеты вдруг стали на ребро — ведь тогда значительно больше шариков попадет на пустое место, чем в них. Можно представить, что наши пятикопеечные монеты при приближении к ним шариков вдруг стали расти и выросли до размеров блюдца или тарелки. Тогда почти все шарики попадут в них и лишь немногие — на непокрытую монетками часть стола.

Именно так и ведут себя ядра некоторых элементов при взаимодействии с нейтронами. Например, сечение реакции при взаимодействии нейтронов с кислородом составляет всего лишь 0,00 022 барна, то есть создается впечатление, будто ядро кислорода «похудело» в пять тысяч раз (при условии, конечно, что любое столкновение нейтрона с ядром приводит к взаимодействию). С другой стороны, сечение аналогичной реакции в случае гадолиния составляет 30 тысяч барнов; ядро как бы «расширилось» в 30 тысяч раз. Для природной смеси изотопов кадмия сечение реакции составляет 2900 барнов. Такое поведение некоторых веществ может быть использовано для поглощения нейтронов, о чем мы еще будем говорить дальше.

Вот теперь мы уже знаем достаточно, чтобы представить себе, как работает «фабрика» изотопов. Сама «фабрика» носит название ядерного реактора. В центре его расположены урановые стержни, заключенные в металлические оболочки, чаще всего изготовленные из алюминия. Уран, находящийся в стержнях, обогащен изотопом урана-235. Стержни отделены друг от друга слоями графита, который служит замедлителем нейтронов. В нем сделаны отверстия и для кадмиевых стержней, которые необходимы для регулирования ядерной реакции. Графит обычно окружают слоями отражателя — вещества, хорошо отражающего вылетающие нейтроны. Все это окружается дополнительно толстым слоем бетона, сквозь который не может «пробраться» выделяющееся при ядерных реакциях излучение.

Как же работает эта «фабрика»? При закладке урановых стержней кадмиевые стержни введены в графит полностью. Поэтому практически все нейтроны поглощаются ими. Затем стержни медленно поднимают, и начинается реакция деления урана. Но как только появляется значительное количество нейтронов, кадмиевые стержни снова вводятся в графит. Такую регулировку проводят до тех пор, пока так называемый коэффициент размножения нейтронов не становится равным единице: на один израсходованный нейтрон образуется один новый, способный провести новое ядерное деление.

В результате ядерных реакций, протекающих в уране, образуются радиоактивные изотопы многих элементов, расположенных в середине периодической системы. В «осколках» деления можно обнаружить изотопы элементов с порядковыми номерами от 30 (цинк) до 63 (европий). Изотопы других элементов получаются при так называемых реакциях расщепления урана. «Снарядами» в этом случае служат протоны высоких энергий, разогнанные до больших скоростей на ускорителях.

Реактор с мощностью в 1000 киловатт ежесуточно дает около полутора граммов различных осколков деления.

Помимо радиоактивных изотопов, при работе ядерного реактора выделяется громадное количество тепла. В самом деле, известно, что кинетическая энергия разлетающихся осколков деления близка к 3,2·10^–4 эрг. При делении грамма урана, 2,5·10²¹ ядер ²³⁵₉₂U, выделяется энергия, равная 8·10¹⁷ эрг, или 22 тысячам киловатт-часов. Поэтому работающий реактор необходимо охлаждать, а воду можно использовать в паровых электрических турбинах. Таким образом, одновременно с производством радиоактивных изотопов ядерный реактор автоматически может служить атомной электростанцией. Конечно, это его главное назначение.

Чудесная «фабрика» не только дает нам радиоактивные изотопы, необходимые в различных областях науки и техники, не только предоставляет возможность получать электроэнергию, но и вдобавок ко всему… обеспечивает себя топливом!

При взаимодействии изотопа урана-238 с нейтронами образуется нестабильный изотоп урана с массовым числом 239. Этот изотоп путем последовательного испускания двух бета-частиц превращается в элемент № 94, плутоний, который обладает довольно большим периодом полураспада, равным 24 тысячам лет.

Плутоний по способности к процессам деления очень сходен с ураном и может быть использован в виде «горючего» вместо мало распространенного изотопа урана-235. Реактор мощностью в 1000 киловатт при делении одного грамма урана может дать ежесуточно около 2 граммов плутония, то есть с лихвой возместить потери урана-235. Такие реакторы, работающие по принципу воспроизводства ядерного горючего, получили название бриддеров, или размножителей.

Несомненно, у ядерных реакторов, выделяющих громадные количества тепла, позволяющих получать радиоактивные изотопы и воспроизводящих ядерное горючее, большая будущность в мирном использовании атомной энергии.