Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
деления из них немедленно испускаются “мгновенные” нейтроны. Ферми и Сцилард с сотрудниками в Колумбийском университете и Жолио с сотрудниками в Париже показали, что в процессе деления испускается несколько мгновенных нейтронов. Жолио с сотрудниками впервые сообщили о полученных ими данных для урана, согласно которым среднее число мгновенных нейтронов составляет 3,5±0,7. Согласно имеющимся в настоящее время данным среднее число составляет 2,4 мгновенных нейтрона на деление.
Итак, перспектива освобождения ядерной энергии путем цепных реакций деления стала близка к реальности, но перспективы получения взрывной цепной реакции с использованием природ-
68
Los Alamos Science Number 26 2000
От алхимии к атомам
ного урана были неясны. Это понимали в группах США, Западной Европы, Советского Союза и позднее Японии. Вскоре после открытия деления тория Бор проанализировал имеющиеся данные и пришел к заключению, что при бомбардировке медленными нейтронами делиться может только уран-235, но не уран-238. Нейтроны любой энергии могут вызывать деление более легкого изотопа (его назвали делящимся материалом), а чтобы вызвать деление урана-238, нейтроны должны иметь энергию порядка 1 МэВ и более.
Разница заключается в том, что уран-235 имеет нечетное число нейтронов, а уран-238 - четное (у обоих изотопов имеется четное число протонов). Следовательно, когда уран-235 поглощает нейтрон, этот нейтрон образует пару с нечетным нейтроном, создавая дополнительную энергию возбуждения (или энергию образования пар) и выталкивает создающееся в результате этого составное ядро урана-236 за барьер деления (см. рис. 5). У урана-238 нет не имеющего пары нейтрона, который образовал бы пару с поглощенным нейтроном, и поэтому не возникает ни энергии спаривания, ни деления до тех пор, пока падающий нейтрон не доставит нужную энергию. Бор и Джон Уилер использовали капельную модель для подкрепления собственных доводов в своей основополагающей статье 1939 года, посвященной делению. В марте 1940 года, сравнивая вызванное медленными нейтронами деление в разделенных изотопах урана, Альфред О. Найер и др. наконец получили экспериментальное доказательство того, что уран-235 является делящимся.
В ядерном заряде, однако, быстрые нейтроны вызовут достаточно большое количество реакций деления и приведут к выделению достаточно большой энергии, прежде чем материал разлетится. В этом отношении роль этих двух изотопов урана в большой степени определяется энергетическим спектром нейтронов деления. Позднее было показано, что у нейтронов деления имеется широкий энергетический спектр CO средней энергией около 2 МэВ. При таком спектре лишь половина нейтронов деления может вызвать деление урана-238, но эта доля будет еще меньше в ядерном
устройстве, где энергия уменьшается за счет ядерных взаимодействий с деталями устройства (см. рис. 5). Даже при тех ядерных данных, которые имелись в то время, уран-238 считался непригодным для ядерной детонации. Уран-235 является намного более подходящим, HO содержание этого изотопа в природном уране составляет всего лишь 0,7%. Поэтому эффективность бомбы из природного урана была бы очень небольшой. В мае 1940 года французский физик Фрэнсис Перрен произвел оценку критической массы природного урана, которая составила порядка нескольких десятков тонн. Вскоре после этого Рудольф Пайерлс провел более точные расчеты, согласно которым это число уменьшилось до нескольких тонн. Ho аналогичные расчеты для чистого урана-235, выполненные Фришем и Пайерлсом, показали значение критической массы для этого изотопа, составляющее несколько фунтов. Это уже было как раз то, что нужно для бомбы.
В то же время получение чистого урана-235 оказалось сложной проблемой. Поскольку химические свойства у изотопов одинаковые, выделять уран-235 из урана-238 химическим способом невозможно. Получать большие количества делящегося изотопа можно лишь путем разделения изотопов с учетом небольшого различия, в 1,2%, между массой урана-235 и урана-238. Самым перспективным оказался газодиффузионный метод, разработанный ранее немецким специалистом в области физической химии Клаусом Клузиусом. Ho для обеспечения разделения требовалось сооружение установок гигантских масштабов. Согласно оценкам Фриша, требовалось примерно 100000 разделительных трубок. Однако в ходе последующих разработок выяснилось, что необходимо существенно меньше трубок, а именно, 5000. Ввиду того, что Европейский континент находился в состоянии войны, и в связи с возможностью разработки бомбы немецкими учеными было решено осуществлять разделение изотопов урана и сооружать бомбу на основе урана-235.
Фактически в то время, когда принималось это решение, на основе анализа делимости ядер, проведенного Бором, был сделан еще один важный вывод.
Трансурановый элемент с массой 239, Z = 94 и 145 нейтронами, возможно, также является делящимся. В мае 1940 года об этой возможности написал Typ-нер в письме к Сциларду, который просил держать это в тайне, поскольку он понимал, что если бы удалось создать элемент-239 с Z = 94, то последующее выделение этого трансуранового элемента из урана можно было бы осуществлять химическим путем, при этом отпала бы необходимость в использовании сложного и дорогостоящего процесса разделения изотопов.
