Этюды о симметрии - Синг Дж.Л.
Скачать (прямая ссылка):
радиация? В большинстве других проблем - оценке критических условий для
создания цепной реакции, управлении, защите, охлаждении - физики были
абсолютно уверены в своих расчетах, но вопрос о радиации был далеко
неясен. Мы знали, что даже под действием слабой естественной
радиоактивности структура и свойства материалов могут изменяться. Что же
случится с урановыми стержнями в реакторе под действием разрушительных
сил интенсивного нейтронного излучения, при делении ядер и т. д.? Еще
более серьезным был вопрос: что произойдет с графитовым замедлителем?
Графит входит в ответственные детали реактора. В отличие от урана его
нельзя время от времени вынимать и заменять, и мы знали, что радиация
вызывает в нем повреждения.
Группа, занимавшаяся вопросами "здоровья" нашего буду-t щего атомного
"дитяти", была настолько не уверена в способности реактора переносить
радиацию и другие "болезни", что расценивала его шансы "выжить" довольно
пессимистично и в своем докладе сообщала: "Было бы антинаучным оценивать
полезную продолжительность жизни реактора свыше 100 дней". В настоящее
время этот период превзойден уже более чем в 50 раз и почти все реакторы
первого поколения живы и благополучно работают. Что нам было совсем
неизвестно в то время - это способность графита (да и металла)
восстанавливать свои радиационные повреждения, так сказать "залечивать
раны". Тем не менее действие радиации на твердые тела и поныне остается
важной задачей, отнимающей много сил и времени. Это главная проблема,
которая возникает при создании реакторов. Помимо чисто практического
значения, радиационные эффекты стали ценным средством исследования важных
свойств твердых тел. Исследование радиационных повреждений проводится в
настоящее время не только в национальных лабораториях Комиссии по
¦) Статья написана совместно с Ф. Зейтцем. Опубликована в журнале: Sci.
Amer., 195, № 2 (1956),
132
II. Ядерная энергия
атомной энергии США, но и в ряде университетов и промышленных
лабораторий. Недавно эта комиссия объявила о подписании восьми контрактов
на проведение таких исследований на общую сумму более 250 000 долларов в
год. Программа изучения радиационных эффектов непрерывно возрастает как
по масштабам, так и по широте охватываемых проблем.
Попробуем рассказать кое-что из того, что мы узнали о радиационных
повреждениях в твердых телах. Металлы и неметаллы на действие облучения
реагируют по-разному. Рассмотрим сначала радиационные эффекты в неметалле
- графите (кристаллическом углероде), обычно применяемом в реакторах в
качестве замедлителя (фиг. 1). Нейтроны, высвобождающиеся при делении
урана в реакторе, обладают кинетической энергией около 106 эв. Когда
быстрый нейтрон сталкивается с ядром атома углерода в замедлителе, он
передает значительную долю своей кинетической энергии этому атому, и
последний от удара испытывает отдачу. Поскольку энергия отдачи атома
углерода во много раз превосходит энергию связи, удерживающую его в
кристаллической решетке (последняя меньше 10 эв), атом оказывается
выбитым из своего обычного положения. В результате в решетке возникают
сразу два дефекта: смещенный атом располагается где-то между узлами
решетки (как участник парада, отставший от своей шеренги или опередивший
ее), а в одном из узлов образуется вакансия.
То, о чем мы сейчас рассказали, - прямые последствия столкновений между
быстрыми нейтронами и атомами в решетке. Сами по себе такие столкновения
обусловливают лишь незначительную часть вызванных в графите разрушений.
Быстрый нейтрон, прежде чем скорость его замедлится до безопасной
величины, успевает столкнуться самое большее с 60 атомами углерода.
Именно эти атомы, смещающиеся со своих "насиженных" мест при отдаче, и
вызывают основные разрушения в решетке. Они не только обладают скоростью,
но и занимают довольно большой объем. Энергия отдачи первого атома
углерода, с которым сталкивается нейтрон с энергией около 10(r) эв,
составляет около 150 000 эв. Такой атом действует, подобно сильному,
рослому человеку, который внезапно решил выбраться из переполненного
вагона метро: он разбрасывает другие атомы направо и налево до тех пор,
пока не достигнет конца своего пробега, т. е. пока его энергия не будет
исчерпана.
Описываемая нами цепь событий, происходящих в мире атомов, таит в себе
одну неожиданность. Она в корне противоречит всему, что можно было бы
ожидать, если исходить из аналогии со столкновениями обычных шарикоб:
проталкивающийся сквозь толпу других атомов атом углерода в конце своего
пути производит больше разрушений, чем в начале! Парадокс раз-
Фиг. 1. Дефекты решетки, образующиеся при столкновении нейтрона с
кристаллическим графитом.
Гексагональная структура кристалла схематически изображена на плоскости.
й - нейтрон (чёрная точка) при соударении сместил один атом; б, в -
дальнейшее развитие процесса, когда и нейтрон и выбитые им атомы
продолжают выбивать новые атомы решетки (траектория нейтрона показана
