Деление ядер урана

Более удачными для цепной реакции свойствами обладает изотоп 235U, который содержится в природном уране в количестве 0,7%. Он делится под действием нейтронов любой энергии — быстрых и медленных и тем лучше, чем меньше энергия нейтронов. Конкурирующий с делением 
 
Рис. 404. Развитие цепной реакции деления: условно принято, что при делении ядра испускаются два нейтрона и потерь нейтронов нет, т. е. каждый нейтрон вызывает новое деление; кружочки — осколки деления, стрелки — нейтроны деления 
 
процесс — простое поглощение нейтронов — мало вероятен в 235U в отличие от 238U. Поэтому в чистом уране-235 возможна цепная реакция деления при условии, однако, что масса урана-235 достаточно велика. В уране малой массы реакция деления обрывается из-за вылета вторичных нейт 
2000 
ронов за пределы его вещества. 
 
В самом деле, ввиду крошечных размеров атомных ядер нейтрон проходит в веществе значительный путь (измеряемый сантиметрами), прежде чем случайно натолкнется на ядро. Если размеры тела малы, то вероятность столкновения на пути до выхода наружу мала. Почти все вторичные нейтроны деления вылетают через поверхность тела, не вызывая новых делений, т. е. не продолжая реакции. 
 
Из тела больших размеров вылетают наружу главным образом нейтроны, образовавшиеся в поверхностном слое.  
 
Нейтроны, образовавшиеся внутри тела, имеют перед собой достаточную толщу урана и в большинстве своем вызывают новые деления, продолжая реакцию (рис. 405). Чем больше масса урана, тем меньшую долю объема составляет поверхностный слой, из которого теряется много нейтронов, и тем благоприятнее условия для развития цепной реакции. 
 
Рис. 405. Развитие цепной реакции деления в 235U. а) В малой массе 235U большинство нейтронов деления вылетает наружу. б) В большой массе урана многие нейтроны деления вызывают деления новых ядер; число делений возрастает от поколения к поколению. Кружочки — осколки деления, стрелки — нейтроны деления 
 
Увеличивая постепенно количество 235U, мы достигнем критической массы, т. е. наименьшей массы, начиная с которой возможна незатухающая цепная реакция деления в 235U. При дальнейшем увеличении массы 235U реакция начнет бурно развиваться (начало ей положат спонтанные деления). При уменьшении массы 235U ниже критической реакция затухает. 
 
Итак, можно осуществить цепную реакцию деления, если располагать достаточным количеством чистого 235U, отделенного от 238U. 
 
Как мы видели в § 202, разделение изотопов представляет собой хотя сложную и дорогую, но все же выполнимую операцию. И действительно, извлечение 235U из природного урана явилось одним из тех способов, при помощи которых цепная реакция деления была осуществлена на практике. 
 
Наряду с этим цепная реакция была достигнута и другим способом, не требующим разделения изотопов урана. Этот способ несколько более сложен в принципе, но зато более прост в осуществлении. Он использует замедление быстрых вторичных нейтронов деления до скоростей теплового движения. Мы видели, что в природном уране незамедленные вторичные нейтроны поглощаются главным образом изотопом 238U. Так как поглощение в 238U не приводит к делению, то реакция обрывается. Как показывают измерения, при замедлении нейтронов до тепловых скоростей поглощающая способность 235U возрастает сильнее поглощающей способности 238U. Поглощение нейтронов изотопом 235U, ведущее к делению, получает перевес. Поэтому, если замедлить нейтроны деления, не дав им поглотиться в 238U, цепная реакция станет возможной и с природным ураном.

На практике такого результата добиваются, помещая тонкие стержни из природного урана в виде редкой решетки в замедлитель (рис. 406). В качестве замедлителей используют вещества, обладающие малой атомной массой и слабо поглощающие нейтроны. Хорошими замедлителями являются графит, тяжелая вода, бериллий. 
 
Пусть в одном из стержней произошло деление ядра урана. Так как стержень сравнительно тонкий, то быстрые вторичные нейтроны вылетят почти все в замедлитель. Стержни расположены в решетке довольно редко. Вылетевший нейтрон до попадания в новый стержень испытывает много соударений с ядрами замедлителя и замедляется до скорости теплового движения (рис. 407). Попав затем в урановый стержень, нейтрон поглотится скорее всего в 235U и вызовет новое деление, продолжая тем самым реакцию. Цепная реакция деления была впервые осуществлена в США в 1942 г. группой ученых под руководством итальянского физика Энрико Ферми (1901—1954) в системе с природным ураном. Независимо этот процесс 
 
Рис. 406. Система из природного урана и замедлителя, в которой может развиваться цепная реакция деления 
 
 
Рис. 407. Развитие цепной реакции деления в системе из природного урана и замедлителя. Быстрый нейтрон, вылетев из тонкого стержня, попадает в замедлитель и замедляется. Попав снова в уран, замедленный нейтрон скорее всего поглощается в 235U, вызывая деление (обозначение: два светлых кружка). Некоторые нейтроны поглощаются в 238U, не вызывая деления (обозначение: черный кружок) был реализован в СССР в 1946 г. академиком Игорем Васильевичем Курчатовым (1903—1960) с сотрудниками.