Александр Проценко - Энергия будущего
Лучшего места, где имелось бы "большое количество воды", чем фонтан с золотыми рыбками в саду... позади лаборатории, нельзя было и придумать. Они притащили свой источник нейтронов и серебряный цилиндрик к фонтану и опустили то и другое в воду. Результаты эксперимента привели их в неистовое возбуждение... Вода также во много раз увеличивала искусственную радиоактивность серебра".
Чем же было вызвано такое "неистовое возбуждение" Э. Ферми и его сотрудников? Что было необычного и, если хотите, на первый взгляд противоречивого в этих опытах?
Вот что поразило исследователей. Ведь радиоактивность серебряного цилиндрика определяется тем, сколько нейтронов, вылетающих из источника, попадет в ядра серебра, образуя при этом радиоактивные ядра. Но ведь количество вылетающих нейтронов не менялось и цилиндрик оставался прежним, а тем не менее радиоактивность возрастала. Значит, в силу каких-то причин сечение ядер серебра, то есть площадь их, то есть мишени, в которые попадали нейтроны, менялось в зависимости от соседствующих предметов. Еще более фантастичным оказался тот факт, что сечение ядер для налетаюших на них нейтронов было в несколько десятков раз больше геометрической площади сечения ядер серебра.
Это поставило ученых в тупик. Когда группа Э. Ферми в том же году сообщила о результатах своих исследований, многие физики посчитали эти опыты ошибочными.
Ведь получалось, что вокруг ядра есть какая-то зона, намного превышающая площадь ядра, попав в которую нейтрон тут же захватывался ядром. Но если даже признать, что такое явление возможно, нужно было объяснить, почему эта площадь зависит от предметов, находящихся вблизи цилиндра.
Первое объяснение этим фактам дал сам Э. Ферми.
Уже во время эксперимента он догадывался, в чем первопричина этого явления. И не случайно предложил провести опыты в бассейне с водой. Позже многочисленными опытами и теоретическими разработками удалось существенно прояснить картину взаимодействия нейтронов с ядрами. Давайте и мы более подробно посмотрим, что происходит с нейтронами, пролетающими через какое-либо вещество. Ведь в опытах Э. Ферми активность цилиндрика менялась как раз потому, что между ним и источником нейтронов размещали разные материалы.
В основном картина взаимодействия нейтронов с веществом такова. Столкнувшись с ядром атома, нейтрон может просто поглотиться в нем. Если это ядро делящегося материала, то может произойти деление ядра.
Наконец, столкнувшись с ядром, нейтрон может просто отскочить от него рассеяться. Вот это событие следует рассмотреть внимательнее.
Если летящий футбольный мяч ударится о стенку дома, он отскочит от нее и с чуть меньшей скоростью полетит в каком-то другом направлении. Но если он ударится о другой такой же мяч, то может случиться так, что он совсем или почти совсем остановится, а тот, что находился в покое, полетит со скоростью, близкой к скорости налетевшего на него мяча. Значит, в первом слчае (при столкновении со стенкой) скорость футбольного мяча почти не изменилась, а во втором (столкнонии мяча с мячом) она стала близка к нулю. Конечно, и во втором случае футбольные мячи могли бы столкнуться так, что после удара полетели бы в разные стороны с какими-то скоростями, правда, меньшими, чем скорость налетевшего мяча, но для нас важен тот факт, что при соударении мяча с телом, масса которого оч"ень велика по сравнению с ним, скорость последнего почти не меняется. При столкновении же с телом массой, равной или близкой его массе, его скорость может изменяться весьма существенно.
Приблизительно то же самое происходит и с нейтронами, рассеивающимися на различных ядрах. Если нейтрон пролетит сквозь свинец (как в первом опыте Э. Ферми), то, сталкиваясь с ядрами атомов свинца, которые в 200 раз тяжелее нейтрона, он отскакивает от них, как футбольный мяч от стенки дома, почти ее уменьшая своей скорости, а следовательно, и энергии.
Значит, рассеяние нейтронов свинцом не приводит к существенному уменьшению их энергии.
Но вот источник нейтронов был помещен в воду, и его нейтроны, прежде чем добраться до серебряного цилиндрика, должны были пройти через слой воды, в которой очень миого атомов водорода, то есть много протонов, почти равных по весу нейтронам. Соударяясь с ними, как футбольный мяч с другим мячом, нейтрон может потерять большую часть своей энергии.
Чем больше число раз нейтрон столкнется с ядрами водорода, тем меньше будет его скорость, а значит, и энергия. Конечно, совсем остановиться иейтрон не может. Ведь атомы вещества не находятся в покое. Они движутся, колеблются, сталкиваются, обусловливая этим движением температуру вещества. Вот и получается, что остановиться нейтрон ее может. Если он попытается это сделать, на него немедленно налетели бы беспорядочно движущиеся окружающие его ядра и заставили бы двигаться. Итак, минимальная скорость движения нейтрона определяется температурой вещества. При комнатной температуре эта скорость равна всего двум тысячам метров в секунду, и поэтому нейтроны, движущиеся с такой скоростью, называют тепловыми, или медленными, так как их скорость после столкновения с окружающими ядрами вещества замедляется в 10 тысяч раз. Скорость же нейтронов, вылетающих при делении, равна 20 тысячам километров в секунду. Поэтому их называют быстрыми.
Теперь понятно, почему были разными результаты опытов, поставленных Э. Ферми при облучении серебряного цилиндрика. В одном случае на него падали быстрые нейтроны, в другом - медленные. Значит, площадь сечения ядра-мишени зависит от того, какова энергия нейтрона, налетающего на ядро. Ясно, что когда мы говорим о площади сечения ядра, то подразумеваем не геометрическую, а эффективную площадь ядра, попав в которую нейтрон провзаимодействует с ядром, то есть поглотится, рассеется или вызовет деление.
Есть такая игра: на дне небольшой коробочки сделано несколько лунок и там столько же шариков. Задача заключается в том, чтобы, покачивая коробочку, заставить все шарики упасть в лунки. Попробуйте сделать это, тряся коробочку очень резко. Поверьте, из этого ничего не получится. Шарики, быстро перекатывающиеся по дну коробочки, пролетят мимо лунок, и если даже попадут в них, то тотчас выскочат и покатятся дальше. Только очень осторожно наклоняя коробочку, так, чтобы шарики катились медленно, можно заставить их попасть в лунки. Приблизительно так же можно было бы объяснить увеличение площади сечения ядра при
уменьшении скорости нейтрона. Чем медленнее нейтрон, чем дольше он находится вблизи ядра, тем больше вероятность того, что он не проскочит мимо него.
Здесь целесообразно заметить, что истинная причина такой зависимости сечения ядер от скорости налетающих нейтронов лежит в двойственной природе самого нейтрона. Мы считали, что он - частица, подобная, например, очень маленькому шарику. И действительно, во многих явлениях и процессах нейтрон ведет себя как частица. Но существует множество опытов, которые можно объяснить только, посчитав нейтрон неким сгустком волн, что он как бы размазан в пространстве. При этом оказывается, что чем меньше его скорость, тем больше длина его волны и его размер. Если же нейтрон очень медленный, то может оказаться, что его размер в несколько тысяч раз больше размера ядра. Поэтому так сильно возрастает площадь, попав в которую нейтрон взаимодействует с ядром. Физики называют эту площадь сечением ядра, именно ядра, а не налетающего на него нейтрона.
Это открытие позволило предложить другой тип атомного реактора, нежели просто кусок металлического урана-235. Необходимое условие осуществления цепной реакции - это удержание в таком реакторе достаточного количества нейтронов, рождающихся при делении. Если реактор делается только из урана, то приходится значительно увеличивать размеры шара, так как при делении урана рождаются быстрые нейтроны, а сечение ядер для таких нейтронов очень маленькое, и большое количество нейтронов улетает из уранового шара, так и не вызвав нового деления.
Ограничить вылет нейтронов из атомного реактора и заставить их делить ядра урана можно и другим способом. Для этого в реактор надо добавлять любой химический элемент, замедляющий нейтроны, например водород. Столкновение с ядрами водорода будет не только препятствовать вылету нейтронов, но и замедлять их.
А медленные нейтроны, как мы уже знаем, будут более эффективно захватываться ядрами урана и делить их.
Если такой реактор сделать в виде сферы, заполненной водой, в которой будет растворен уран, то, чтобы началась цепная реакция, потребуется всего около килограмма урана. Такой атомный реактор называют реактором на тепловых, или медленных, нейтронах.
Реактор, в который специально не вводится замедляющее вещество и представляющий собой, например, сферу из металлического урана, называют реактором на быстрых нейтронах.
