Шипение снарядов - Александр Прищепенко

Образованные делением частицы при многочисленных столкновениях с окружающими атомами отдают им свою энергию, повышая, таким образом, температуру вещества. После того как в сборке с делящимся веществом появились нейтроны, мощность тепловыделения может возрастать или убывать, а может быть и постоянной. Параметры сборки, в которой число делений в единицу времени не растет, но и не уменьшается, называют критическими. Критичность сборки может поддерживаться и при большом, и при малом числе нейтронов, находящихся в ней в данный момент времени. В зависимости от того, больше или меньше это число, больше или меньше и мощность тепловыделения. Тепловую мощность увеличивают, либо «подкачивая» дополнительные нейтроны извне в критическую сборку, либо делая сборку сверхкритичной (тогда дополнительные нейтроны «поставляют» все более многочисленные «поколения» делящихся ядер).

Образующиеся при делении нейтроны часто пролетают мимо окружающих ядер, не вызывая повторного деления. Чем ближе нейтрон к свободной поверхности, тем больше у него шансов вылететь из делящегося материала и никогда не возвратиться обратно (подумайте, кто из суетящейся у обрыва толпы скорее других свалится в пропасть!). Форма сборки, сберегающей нейтроны в наибольшей мере — шар: для данной массы вещества он имеет минимальную поверхность. Ничем не окруженный (уединенный) шар из 94 %-ного U235 без полостей внутри становится критичным при массе в 49 кг и радиусе 85 мм. Если же сборка из такого же урана — цилиндр с длиной, равной диаметру, она становится критичной при массе в 52 кг, а для длинного цилиндра, с высотой восьмикратно превосходящей диаметр, эта масса превысит 100 кг [41].

Понятно, что внешнюю поверхность сборки можно уменьшить и увеличив плотность ее вещества, поэтому-то взрывное сжатие, не меняя количества делящегося материала, тем не менее, может переводить сборку из докритического состояния в сверхкритическое.

И, наконец, о роли энергии нейтронов. «Отскакивая» от ядер, нейтроны передают им часть своей энергии, тем большую, чем «легче» (ближе им по массе) ядра. Чем больше столкновений претерпевают нейтроны, тем более они «замедляются», и, наконец, приходят в тепловое равновесие с окружающим веществом («термализуются»). Скорость «тепловых» нейтронов — 2200 м/с, что соответствует энергии 0,025 эВ. Время термализации (миллисекунды) ощутимо человеком, но важно помнить, что за такое время быстрые нейтроны снижают свою энергию на много порядков, до «тепловых» значений; вразы же они теряют энергию всего за несколько столкновений, что займет доли пикосекунды! Нейтроны могут ускользнуть из замедлителя, захватываются его ядрами, но с уменьшением энергии их способность вступать в реакции существенно возрастает, поэтому нейтроны, которые «не потерялись», с лихвой компенсируют убыль численности.

Так, если шар делящегося вещества окружить замедлителем, многие нейтроны покинут замедлитель или будут поглощены в нем, но будут и такие, которые, потеряв свою энергию, вернутся в шар («отразятся») и с гораздо большей вероятностью вызовут акты деления (рис. 3.4). В процессе обмена нейтронами между замедлителем и делящимся веществом установится усредненная, пониженная в сравнении с той, с которой они рождаются, энергия нейтронов, вызывающих деление. Если шар окружить слоем бериллия толщиной 25 мм, то можно сэкономить 20 кг U235 и все равно достичь критического состояния сборки. Заплатить за такую экономию придется временем: каждое последующее поколение нейтронов, прежде чем вызвать деление, должно сначала замедлиться. Эта задержка уменьшает число поколений нейтронов, рождающихся в единицу времени, а значит, энерговыделение «затягивается». Чем меньше делящегося вещества в сборке, тем больше требуется замедлителя для развития в ней цепной реакции, а деление идет на все более низкоэнергетичных нейтронах. В предельном случае, когда критичность достигается только на совсем уж тепловых, например, в растворе солей урана в воде [42], масса сборок — сотни граммов, но раствор просто периодически вскипает. Выделяющиеся в объеме пузырьки пара уменьшают среднюю плотность делящегося вещества, и цепная реакция прекращается. Затем пузырьки, всплывая, покидают жидкость и вспышка делений повторяется. Можно, конечно, закупорить сосуд, и тогда пар высокого давления разорвет его. Это будет типичный тепловой взрыв, опасность которого заключается не в мощности, а в радиационных эффектах.

Вот как описан в книге Р. Юнга «Ярче тысячи солнц» закончившийся трагично эксперимент доктора Слотина, правда, не с ураном, а другим делящимся веществом — плутонием (рис. 3.5).

Рис. 3.5 Слева: приспособления для отливки заготовки заряда из плутония. Правее: так обращался с содержащей плутоний сборкой доктор Слотин (фотография взята из отчета комиссии, расследовавшей одну из первых в истории ядерных аварий). Снимок справа вверху дает представление о такой аварии. Сфотографирован образец плутония, правда, не оружейного, как в опыте Слотина, а изотопа с массовым числом 238. Различия в ядерных свойствах «плутониев» даже более велики, чем «уранов»: в Pu238 не может возникнуть цепная реакция деления, но другие самопроизвольные ядерные реакции протекают столь интенсивно, что металлический Pu238 всегда пребывает в раскаленном состоянии; оружейный Pu239 сравнительно малоактивен (хотя его температура и превышает комнатную на несколько градусов), зато — способен к цепной реакции, которая при определенных условиях может быть взрывной. В опыте Слотина она такой не стала, но Pu239 раскалился, став на несколько секунд похожим внешне на Pu238. Еще один «беспокойный» изотоп — Pu240 — испускает нейтроны спонтанно и на четыре порядка более интенсивно, чем «оружейный» собрат. Высокий «примесный» нейтронный фон не позволяет применять полученный в реакторе плутоний в зарядах ствольного типа (об этом — в конце главы)

«Задача состояла в том, чтобы достигнуть, но не превзойти критической точки самого начала цепной реакции, которую Слотин должен был немедленно прерывать, раздвигая полушария. Если бы он «проскочил» критическую точку или недостаточно быстро прервал начавшуюся реакцию в самом ее начале, то масса превзошла бы критическую величину и последовал бы ядерный взрыв…

…Неожиданно его отвертка соскользнула. Полушария сошлись слишком близко, и масса стала критичной. Мгновенно все помещение наполнилось ослепительным блеском. Слотин вместо того, чтобы укрыться и, возможно, спасти себя, рванул голыми руками оба полушария в разные стороны и прервал тем самым цепную реакцию».

Надеюсь, читателю очевидны «ляпы»: оказывается, человек в состоянии движениями рук прервать ядерный взрыв, а уж если таковой неминуем — может «укрыться» (уж не спрятавшись ли под стол?).

Авторам книги «Критические параметры систем с делящимися веществами и ядерная безопасность» удалось избежать безграмотного пафоса.

«Лос-Аламос, 1946 г. Случай неконтролируемой вспышки цепной реакции произошел на сборке, состоящей из плутониевой сферы[43], облицованной никелем толщиной 0,13 мм (плотность плутония равнялась 15,7 г/см3, общий вес — 6,2 кг), окружаемой бериллиевыми полуоболочками. Экспериментатор, регулируя зазор между полуоболочками отверткой, неожиданно выронил ее. Бериллиевые полуоболочки сомкнулись, что явилось причиной вспышки цепной реакции, в результате которой в сборке произошло 3 ·1015 делений. Физик, проводивший эксперимент, умер через девять дней в результате переоблучения дозой 900 рентген».

Оружейник-ядерщик, мельком взглянув на характеристики «сферы», скажет, не раздумывая: сборка была изготовлена для заряда, где одно поколение быстрых нейтронов сменяется другим, более многочисленным, за неимоверно короткое, неуловимое живыми существами время. Не будучи окружена замедлителем, «сфера» была подкритичной, безопасной. В присутствии замедлителя процесс, начавшись либо с нейтрона, рожденного в спонтанных реакциях всегда присутствующих в оружейном плутонии примесных ядер, либо — что менее вероятно — со случайно попавшего в сборку фонового [44] нейтрона, далее происходил на частицах, каждое поколение которых долго замедлялось, и потому не был взрывным. Цепь делений угасла сама, когда сборка раскалилась, а значит — расширилась. Дальнейшие действия физика предотвратили два неприятных последствия: другую вспышку делений после остывания сборки и загрязнение всего окружающего плутонием, который, раскалившись, мог и сбросить с себя защитную оболочку из никеля [45].

Вероятно, целью опыта было выяснить, безопасно ли монтировать сборку в заряд, окружая при этом замедляющим нейтроны бериллием. Пошли на жутковатый эксперимент потому, что во все времена далеко не все, что необходимо для реализации новых идей, можно было рассчитать. Упоминание «ослепительного блеска» следует отнести на счет эмоциональной реакции свидетелей аварии. На самом деле, это было неяркое фиолетовое свечение ионизованного гамма квантами воздуха (обычно в такой ситуации ощущается и сильный запах озона).