Шипение снарядов - Александр Прищепенко

Ядерные исследования стали процветать и получили практическое воплощение в заокеанской стране, где благожеланная властная вертикаль не была выстроена монолитно, где бескомпромиссно не формулировалась национальная идея и не ставились остро идеологические вопросы. Не последний по значению вклад в исследования урана внесли те самые, с «дефектиками», изгнанники…

3. Нейтронная суета среди ядер…

Даже там, где, казалось бы, безраздельно царит хаос, существуют закономерности. Нейтроны и ядра — не исключение.

…Руды урана выглядят очень красиво (рис. 3.1). Ядро урана содержит 92 положительно заряженных протона, как и все тяжелые металлы, он вреден для человека. К тому же уран очень медленно распадается, испуская альфа-частицы (ядра гелия). Пробег их в конденсированных веществах — десятки микрон и, если залить кусок урана прозрачным компаундом, получается вполне безопасный сувенир. Кроме протонов, ядро урана включает и нейтроны, число которых может быть различным: в природном уране большинство ядер содержат по 146 нейтронов и лишь 0,7 % — по 143 (ядра с другим числом нейтронов в естественных условиях чрезвычайно редки). Ядра с равными количествами протонов, но различными — нейтронов, называют изотопами. Ядерные свойства изотопов, как правило, различаются очень существенно [39], а вот химические — идентичны и разделить изотопы химическими методами нельзя, но различие в массах позволяет сделать это физическими методами.

…Припомним попытки очистить запачканные штаны или юбку. Использование бензина или другого растворителя часто приводит к тому, что после его высыхания на светлой материи вместо компактного пятна остается отчетливо различимый, расплывшийся круг (а то — и несколько, концентрических).

Рис. 3.1 Урановые руды, слева направо: друза кристаллов желтого отунита, гуммит и смолка. Обычно они содержат менее процента урана

Все наверняка слышали о броуновском, хаотическом движении молекул, а многие — о том, что при данной температуре скорость движения молекулы тем выше, чем меньше ее масса [40]. Если растворитель испаряется достаточно интенсивно, он служит «фотофинишем» — фиксирует результат гонки молекул. Возьмите лупу и рассмотрите на ваших изгаженных штанах (хорошо, если они белые) результат этого забега. Произошло вот что: раствор, благодаря капиллярным явлениям, просачивался между ворсинками материи. Стенки этих тонких зазоров «отражали» молекулы, их движение становилось менее хаотичным, приобретало преимущественное направление — вперед, вдоль зазора. Растворенные загрязнения вынуждены были пройти довольно большие расстояния по таким узкостям, легкие компоненты при этом опередили тяжелые, а испарение растворителя законсервировало распределение. Это явление называют хроматографией. Его можно наблюдать на фильтровальной бумаге, сначала капнув растворитель с загрязнениями, а потом — добавляя по каплям в центр пятна чистый растворитель (рис. 3.2). Когда бумага высохнет, ее можно по концентрическим окружностям, определяющим границы разделенных зон, разрезать, став обладателем обогащенных различными компонентами кусочков…

Рис. 3.2 Разделение методом хроматографии на промокательной бумаге синих чернил марки «Радуга-2»: а) на бумагу капнули чернила, растворителя в них недостаточно, он быстро испарился, заметного разделения нет; б) в центр чернильного пятна шприцем добавили растворителя (воды), разделение началось; в) дальнейшее добавление воды привело к тому, что самая быстрая (зеленоватая) компонента настолько опередила другие, что между ней и компонентой с промежуточной скоростью диффузии образовался разрыв (светлая область, в которой, вероятно, присутствует в основном растворитель). Совсем уж «медленная» компонента занимает область в центре хроматограммы, более темную, чем остальные

В процессе разделения уранов есть много общего с хроматографией. Сначала их природную смесь переводят в газообразное состояние, соединяя с фтором, потом — прокачивают через бесчисленные пористые перегородки, так что молекулы гексафторида более легкого изотопа постепенно опережают тяжелые. Обогащенный легким изотопом газ собирают и выделяют из него металл. Разделение идет медленно, потому что массы (235 и 238 единиц), а значит, и скорости теплового движения этих изотопов различаются незначительно.

Более эффективен процесс разделения газообразных изотопов урана в центрифугах (рис. 3.3), работа которых напоминает отжимание белья в стиральных машинах, но автор воздержится от описания демонстрационного опыта, поскольку при этом возможен выход из строя ценного в любой семье аппарата. Да, к тому же, и метод газовой диффузии применяется до сих пор.

Заводы, где из природного урана извлекают легкий изотоп, занимают площади в многие квадратные километры. Миллиарды долларов расходуются, чтобы разделить «близнецов», неотличимых ни по внешнему виду, ни химическим анализом. Но их ядерные «характеры» — совершенно разные.

Рис. 3.3 Слева вверху: уран — серебристый на свежем изломе металл, который на воздухе сначала покрывается налетом цвета спелой сливы, а затем и вовсе чернеет. Ниже: центрифуга, предназначенная для разделения газообразных гексафторидов урана. Справа: цех центрифуг на заводе под Екатеринбургом. Желающие могут прикинуть, через сколько центрифуг (ступеней разделения) проходят газы, пока будет выделен достаточно «облегченный» гексафторид. Из разделенных газов опять получают металлические ураны: «оружейный» и «отвальный»

Процесс деления U238 — «платный»: прилетающий извне нейтрон должен «принести» с собой энергию более МэВа. A U235 «бескорыстен»: для возбуждения и последующего распада от пришедшего нейтрона ничего не требуется, вполне достаточно его энергии связи в ядре (рис. 3.4). При попадании нейтрона в способное к делению ядро, образуется неустойчивый «компаунд», но очень быстро (через 10–23–10–22 секунды) такое ядро разваливается на два осколка, неравных по массе и испускающих новые нейтроны (по 2–3 в каждом акте деления, процесс этот вероятностный), и, благодаря им, со временем может «размножаться» число делящихся ядер — эта реакция называется цепной. В U235 цепь развивается, а кинетическая энергия осколков деления на много порядков превышает выход энергии при любом акте химической реакции, в которой состав ядер не меняется.

Рис. 3.4 В ядерной физике оказалась весьма плодотворной модель «жидкой капли», в соответствии с которой действие внутриядерных сил приводит к явлению, напоминающему поверхностное натяжение. Возбужденное попаданием нейтрона в U235 компаунд-ядро U236 не разваливается сразу, в нем сначала образуется перетяжка (верхний рисунок), а затем происходит деление на осколки, как правило, неравной массы. Процесс этот — вероятностный, а пример показывает, что делящаяся в первом поколении, растянувшаяся «капля» вот-вот распадется на ядра бария и криптона. Из образовавшихся после распада трех мгновенных нейтронов деления один (в центре) «промахнулся», а два других — положили начало второму поколению, с образованием пар цезия и рубидия, ксенона и стронция. На графике — сечения реакции деления U235 на нейтронах разных энергий. Вероятность того, что медленный нейтрон вызовет деление, на порядки превышает ту же вероятность для быстрого нейтрона

Продукты деления нестабильны и еще долго «приходят в себя», испуская излучения самых различных видов, в том числе — те же нейтроны. Короткоживущими осколками нейтроны испускаются спустя 10-6—10-14 секунды после развала компаунд-ядра и такие нейтроны называют мгновенными. Но некоторые нейтроны испускаются через вполне ощутимое человеком время (до десятков секунд). Эти нейтроны называют запаздывающими, доля их по сравнению с мгновенными мала (менее процента).

Свободные нейтроны активно взаимодействуют с любыми ядрами, причем весьма разнообразно. Вероятность взаимодействия описывают «сечениями», измеряемыми «барнами» (барн равен 10-24 см2), уподобляя то или иное ядро мишени соответствующей площади для летящего нейтрона. Одно и то же ядро может представлять различной площади мишень для разных сценариев взаимодействия: например отскок нейтрона от ядра может быть намного более вероятен, чем его захват ядром с испусканием гамма кванта. Таких сценариев очень много и по совокупности информации о них можно «узнать» то или иное ядро так же точно, как по отпечаткам пальцев — человека.