Шипение снарядов - Александр Прищепенко

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).

Важный вывод, который следует из разобранных примеров: излюбленный журналистами параметр — критическая масса — сам по себе не характеризует способность к взрыву. Для одного и того же делящегося вещества критические массы могут отличаться на порядки (в зависимости от его формы, плотности, присутствия замедлителя), причем, даже если такая масса собрана и цепная реакция происходит, взрывной она бывает отнюдь не всегда.

Для некоторых — и весьма важных — задач необходимо избежать не только ядерного взрыва, но и «теплового эксцесса», подобного опыту доктора Слотина. В управляемых реакциях деления значительную роль играют нейтроны запаздывающие.

Рис. 3.6 В верхнем ряду слева — снимок макета ядерного реактора ВВЭР-1000. Активная зона состоит из стержней с обогащенным ураном и стержней с веществом, поглощающим нейтроны (последние служат для регулировки мощности). Стержни омываются водой, которая замедляет нейтроны и служит теплоносителем. Вода циркулирует в активной зоне под высоким давлением и нагреть ее без вскипания можно до значительно большей, чем сотня градусов, температуры, обеспечив тем самым эффективный теплоотвод. Очень горячая вода из активной зоны поступает в теплообменник, где отдает свою энергию и та преобразуется для дальнейшего потребления. Уран в стержнях (называемых ТВЭЛами — тепловыделяющими элементами, показанными в центре) обогащен «двести тридцать пятым» изотопом на 5 или чуть более процентов, он значительно «беднее», чем оружейный. От реактора получают огромную энергию, но, кроме того, U238 из его топлива не идет «в отвал», а превращается нейтронами в другое делящееся вещество при протекании реакций: U238 + n → U239 → Np239 → Pu239 Ядерные реакции, продуктом которых является Pu239, в основном заканчиваются через несколько недель после извлечения отработавших ТВЭЛов. Это время они выдерживаются в бассейнах с водой, а их гамма-излучение столь интенсивно, что возбуждает вторичное (черенковское) излучение синеватого цвета в водяной защите (справа). В «отсветивших» ТВЭЛах остается плутоний, который отличается от урана валентностью, что делает возможным его выделение химическими методами. Выделение энергии при ядерной реакции происходит за счет массы: суммарная масса продуктов реакций меньше, чем ядер, в реакцию вступающих. Офицеры и матросы авианосца «Энтерпрайз» (нижний снимок) выстроилась на полетной палубе, образовав формулу Эйнштейна, связывающую убыль массы («т») реагентов при делении уранового топлива и выделяющуюся при этом энергию («Е»), которой ядерные реакторы обеспечивают их корабль («с» — скорость света). Цифра «40» означает, что все сорок лет службы корабля доказывают справедливость этой формулы. Перезарядка активных зон ядерной энергетической установки авианосца производится раз в три года и обеспечивает дальность плавания более чем в 300000 миль. «Энтерпрайз» вошел в состав ВМС США в 1961 г. и останется в строю до 2013 г. Полное водоизмещение авианосца — 93400 т

…В ядерном реакторе — таком, например, какой обеспечивает энергией огромный корабль (рис. 3.6), — тепловыделение регулируют, вдвигая или выдвигая из активной зоны (той же сборки с делящимся веществом) стержни, содержащие поглощающие нейтроны элементы (кадмий, бор). Но мгновенные нейтроны размножаются слишком быстро — настолько, что затруднительно контролировать рост мощности: скорость введения стержней в активную зону всего лишь на метр (примерно 10 % ее длины) должна быть порядка километров в секунду — немыслимая для механических устройств с их блоками и тросами величина. А при меньших скоростях введения стержней реактор развалится от перегрева. Так и случается при авариях, и все же существует интервал положений стержней, в котором реактор вполне управляем. В этом режиме прирост числа нейтронов (и мощности) происходит за счет запаздывающих нейтронов (мгновенные тоже, конечно, рождаются, но каждое их последующее поколение увеличивается только на количество, соответствующее размножению запаздывающих). Реактор «вынужден ждать», пока долгоживущие осколки выпустят свои нейтроны, и не «идет в разгон» а набирает мощность медленно (проценты в секунду) — так, что прирост ее можно в нужный момент остановить, даже при ручном управлении.

…Роль нейтронов в ядерных реакциях и их практическом применении настолько важна, что очевидна необходимость, не «пережевывая» уже изложенное, закрепить у читателя представления о замедлении и взаимодействии этих частиц с ядрами. Полезно будет разобраться в опыте, проведенном автором в годы работы молодым специалистом в НИИ авиационной автоматики. Ускорительный источник — нейтронный генератор — далее будет описан подробнее, а пока важно лишь то, что формировал этот генератор субмикросекундной (т. е. много меньшей, чем время термализации) длительности поток нейтронов одинаковой (14 МэВ) энергии.

Если в замедлитель «впрыснуть» такие нейтроны, то они начнут «разбегаться»: случайное сочетание углов рассеяния при столкновениях приведет к тому, что найдутся частицы, двигающиеся в самых разных направлениях. Те же случайные факторы приведут и к разбросу энергий: в каждый данный момент времени будут наличествовать как нейтроны больших, так и меньших энергий.

…Идея пришла неожиданно. Сопоставив длительность формируемого нейтронного импульса и время замедления нейтронов (миллисекунды), я понял, что если окружить генератор замедлителем определенной толщины и сформировать импульс, то из замедлителя сначала выйдут нейтроны, испытавшие малое число столкновений, а значит — довольно высокоэнергетичные, потом — «потолкавшиеся подольше», подрастерявшие свою энергию, и уж затем — тепловые. Если для визуализации изображения применить электроннооптический преобразователь (ЭОП), то, запуская его с определенной задержкой по отношению к началу нейтронного импульса, можно менять и энергию частиц, используемых для контроля. Это сулило прямо-таки революционное расширение возможностей нейтронографии: определив ход изменения яркости свечения изображений различных деталей «просвечиваемого» объекта в зависимости от задержки (энергии нейтронов), можно идентифицировать вещество, из которого они изготовлены, потому что яркость определяется сечением взаимодействия нейтронов (рис. 3.7), которое для каждого элемента весьма индивидуально зависит от их энергии. Появлялась и возможность проявления деталей из легких элементов — задача, непосильная методу рентгеновского контроля! Можно было бы получать и цветные нейтронограммы! Нейтроны, конечно, цвета не имеют, но допустимо «присвоить» им различные, зависящие от энергий цвета: например, устанавливая задержку, соответствующую контролю на нейтронах промежуточных энергий — задавать желтый цвет изображения (густота цвета будет зависеть от пропускания нейтронов той или иной деталью). Другим величинам задержек можно поставить в соответствие красные, синие и прочие цвета, так что итоговое изображение, составленное из наложения частных, выглядело бы весьма живописно.

Рис. 3.7 Сечения взаимодействия некоторых ядер с быстрыми (МэВ-ных энергий) нейтронами. На ординатах каждого графика даны сечения в барнах. Для низко-энергетичных нейтронов различия еще более заметны и характеризуются резонансами — скачками сечений (иногда — в пределах более трех порядков). Подобные резонансы для нейтронов с энергиями менее 0,1 эВ можно наблюдать и для реакции деления (см. рис. 3.4)

Конвертер (преобразователь нейтронного излучения в световое) изготовили, смешав бор, сульфид цинка и «связав» смесь полиэтиленом. При захвате нейтронов ядрами бора получались альфа-частицы, которые и вызывали вспышки света в сульфиде цинка.

Вскоре начались плановые испытания генераторов на полный ресурс. «Гоняя» генераторы, попутно облучали патрон. Результаты не радовали: на экране ЭОПа виделись лишь отдельные вспышки. Чтобы не подвергать риску быть экспроприированным фотоаппарат, срочно изготовили из фанеры кассету, прижимавшую к экрану кусок аэрофотопленки. Облучение длилось не минуту, не час, а неделю, но результат был получен: пленки, экспонированные при задержке запуска ЭОПа и без нее, заметно отличались, что свидетельствовало об изменении средней энергии нейтронов, на которых велся контроль (рис. 3.8)! Низкоэнергетичные нейтроны позволили обнаружить и порох, что было недоступно для нейтронов быстрых, а уж тем более — для рентгена. Неважно, что изображения были получены после недельного коллекционирования отдельных вспышек! Неважно, что компоненты конвертера оказались смешанными явно неравномерно! Главное — работал принцип! А если так, то, применив более мощный источник нейтронов (например — импульсный реактор), можно было, лишь «просветив» предмет снаружи, узнать не только его устройство, но и изотопный состав любой его детали по выбору: достаточно было укрепить на ее изображении фотоэлемент и получить зависимость его показаний от величины задержки запуска ЭОПа (а значит — и от энергий нейтронов). Ясно, что тут требовались сложные расчеты эффективности конвертера для нейтронов разных энергий, экранирования одного материала другим, но все это было под силу компьютерам, только входившим тогда в обиход научных учреждений…