Нейтроны и ядра
Э.И.Шарапов,
доктор физико-математических наук Объединенный институт ядерных исследований Дубна
Академик И.М.Франк опекал в Советском Союзе ней-тронно-ядерную физику, будучи руководителем Научного совета по физике ядра Академии наук СССР.
Нейтронно-ядерная физика — часть нейтронной физики, включающей также физику самого нейтрона и исследования конденсированных сред с помощью нейтронов. В автобиографии 1988 г. [1], говоря об участии в работах по созданию советского ядерного реактора, Франк написал: «С исследований по физике реакторов началась моя специализация в области нейтронной физики, ставшая существенной в последующие годы». В силу своей скромности Илья Михайлович не отметил, что как специалист в области физической оптики, а затем и ядерной физики, и как профессор кафедры ядерной физики физфака МГУ он отслеживал нейтронно-ядер-ную тематику начиная с открытия нейтрона в 1932 г., и уже в 1939 г. опубликовал в журнале «Природа» обзор работ [2], где ввел на русском языке термин «деление» (вместо используемого ранее «расщепление»). Особо обращая внимание на дополнительные нейтроны, обнаруженные при делении урана, Франк писал о возможности практического использования огромной внутриядерной энергии, если удастся «превратить такую реакцию в цепную». Сейчас мы хорошо знаем, что на пути создания ядерных реакторов это удалось.
© Шарапов Э.И., 2008
Уже в 1946—1949 гг. в лаборатории атомного ядра ФИАН, которой к тому времени заведовал Франк, были выполнены исследования по физике реакторов [3], проводившиеся в тесном контакте с И.В.Курчатовым, руководившим в стране всей «урановой проблемой». Ввиду обстановки секретности тех лет эти работы были частично опубликованы лишь в 50-е годы.
В последующие годы (1957— 1988) Илья Михайлович стал одним из руководителей создания исследовательских импульсных реакторов ИБР, ИБР-30, ИБР-2 [4] в Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ. Благодаря этим реакторам, а также благодаря созданной Франком научной школе, лаборатория стала одним из мировых центров исследований в области нейтронной физики. Как директор ЛНФ Илья Михайлович активно популяризировал достижения своего коллектива, чему свидетельствует, к примеру, фото титульного листа брошюры «Физика атомного ядра и атомная энергия» [5], но он никогда не подписывал своим именем работы, в которых не принимал участия. Свой последний обзор по нейтронно-ядерной физике Франк опубликовал к 50-летию открытия нейтрона [6].
Правительственное задание
В 1945 г., после американской бомбардировки Хиросимы и Нагасаки, наше правительство
Титульный лист научно-популярной брошюры И.М.Франка «Физика ядра и атомная энергия».
приняло ряд чрезвычайных постановлений, направленных на форсирование создания советской атомной бомбы. К «урановой проблеме», которой с 1943 г. занимался институт Курчатова*, были дополнительно привлечены 20 организаций, в том числе Физический институт АН СССР (ФИАН), где правительственное задание получила лаборатория 38-летнего тогда профессора Франка.
Как известно, одна из двух первых американских атомных бомб была изготовлена на осно-
* Институт назывался тогда Лабораторией №2 Академии наук СССР, сейчас это
РНЦ «Курчатовский институт».
ве редкого изотопа урана-235, выделенного из природного урана (0.7% урана-235, 99.3% урана-238), а другая — на основе не существовавшего ранее в природе элемента плутония, изотоп которого 239Ри был получен в специально созданных реакторах посредством облучения нейтронами урана-238. Лаборатория №2 АН СССР вела исследования по обоим направлениям. И.В.Курчатов лично занимался всеми работами, имевшими конечной целью получение плутония, а работами по разделению изотопов урана-235 и урана-238 руководили И.К.Кикоин и Л.А.Арцимович.
Требовалось построить сначала «небольшой» опытный реактор, а затем промышленные реакторы большой, до 100 МВт, мощности. Из двух возможных типов реакторов на природном уране — с графитовыми и тяжеловодными замедлителями нейтронов — приоритет был отдан более экономичным уран-графитовым системам*.
Аналогичное решение было принято ранее в США, где в Чикаго в условиях строжайшей секретности был построен в декабре 1942 г. под руководством Э.Ферми первый уран-графитовый реактор.
Создание ядерного реактора на основе природного урана было с точки зрения физики делом далеко не тривиальным. В нем содержится 99.3% урана-238, который практически не делится при взаимодействии с нейтронами с энергией меньше ~2 МэВ. Напротив, уран-235 хорошо делится под действием нейтронов малых энергий (тепловых), однако наличие ура-на-238 затрудняет осуществление цепного процесса на 235и,
* Тяжеловодные реакторы также были построены, но позднее, под руководством А.И.Алиханова — директора Лаборатории №3 АН СССР, ныне Института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) им.А.ИАлиханова. См.: Абов ЮГ. От рентгеновских лучей к элементарным частицам. К 100-летию Абрама Исааковича Алиханова // Природа. 2004. №12. С.62—70.
так как уран-238 интенсивно поглощает нейтроны, которые могли бы вызвать деление ура-на-235. Поглощение происходит благодаря процессу, альтернативному делению, — в реакциях радиационного захвата, когда нейтрон присоединяется к ядру и испускаются у-кванты. Задачу осуществления цепной реакции в природном уране удалось решить потому, что вероятность поглощения тепловых нейтронов ураном-235 примерно в 250 раз больше, чем ура-ном-238. Поэтому, хотя ура-на-235 и мало, все же примерно 50% всех поглощенных тепловых нейтронов вызывает его деление. При этом, как показали в 1943 г. И.М.Гуревич и И.Я.По-меранчук, необходимо реализовать гетерогенную конфигурацию активной зоны, т.е. решетку из слоев урана и графита. Блоки графита служат для замедления нейтронов деления, прежде чем они входят в блоки урана, где инициируют новое деление ядер и-2 35 и новые быстрые нейтроны. Графит, который сам слабо поглощает нейтроны, должен быть сверхчистым, чтобы снизить «непроизводительное» (по отношению к делению) поглощение, способное оборвать цепную реакцию деления.
Отношение числа нейтронов, вызывающих деление на очередной ступени цепного процесса, к числу нейтронов, делящих уран-235 на предшествующей ступени, обозначают коэффициентом размножения К. Реактор с К = 1 называют критическим, в нем течет самоподдерживающаяся цепная реакция деления. И так как нейтроны не только поглощаются, но и «вытекают» из мультиплицирующей системы, то важную роль играет размер реактора. Поскольку ядерные константы материалов были недостаточно известны, прямое измерение К стало абсолютно необходимым. Группа Курчатова выполнила первые измерения К в 1944—1945 гг., как только стали доступными первые партии сверхчистого
графита и блоки металлического урана. Использовался так называемый экспоненциальный метод измерения растущего умножения числа нейтронов в подкритических системах, нарастающих по размеру. Метод требовал наличия десятков тонн урана и сотен тонн графита. Были получены обнадеживающие оценки К на уровне 1.06 при оптимальных условиях, т.е. при достижении критического радиуса сферы 3 м и использовании сверхчистого графита. Это позволило перейти к строительству реактора Ф1, который успешно заработал 25 декабря 1946 г.
Но еще до пуска Ф1 были начаты исследовательские работы по созданию промышленных реакторов, в которых приняла участие лаборатория Франка в ФИАН. Ввиду большой проектной мощности для промышленных реакторов было предусмотрено водяное охлаждение тепловыделяющих элементов, отсутствовавшее в физическом реакторе Ф1. Поэтому необходимо было выяснить роль воды и воздушных зазоров в каналах промышленного реактора и провести систематические исследования коэффициента размножения, включая возможные температурные эффекты.
Л.В.Грошев, Е.Л.Фейнберг и И.М.Франк теоретически показали [3], что воздушный зазор вокруг уранового стержня увеличивает коэффициент размножения, а вода, напротив, должна снижать его. Они оценили соответствующие эффекты на уровне (1.0—1.5)%, т.е. на уровне, сравнимом с превышением коэффициентом К единицы в действующем реакторе. Ввиду важности этого результата в ФИАН были выполнены измерения нейтронных полей в мультиплицирующей призме размерами 1.8x1.8x2.4 м (рис.1). В призму загружались урановые стержни диаметром 35 мм и графитовые блоки сечением 20x20 см, т.е. те же материалы, которые предназначались для промышленного реактора. Сквозные каналы
в призме были квадратными и круглыми. Размещение урановых блочков в квадратных каналах имитировало воздушное охлаждение. В круглые каналы можно было вводить воду в виде цилиндрического слоя вокруг алюминиевых труб, содержавших уран. Измерялись показания нейтронного детектора на разных высотах г от нейтронного источника, располагавшегося вблизи квадратного основания призмы со стороной а. Экспоненциальный характер распределения нейтронной плотности, ехр(-г/Ь), давал экспериментальное значение длины затухания Ь и, соответственно, величину «материального параметра» реактора к, определяемого в теории как к2 = = 2п2/а2 - 1/Ь2. Наконец, с некоторыми модификациями призмы измеряли еще один экспериментальный параметр — площадь миграции нейтронов М — величину, учитывающую перемещение нейтронов в процессе замедления и диффузии. Коэффициент размножения реактора находили согласно теории экспоненциальной призмы из со-
Рис.1. Общий вид экспоненциальной уран-графитовой призмы ФИАН.
отношения Ы2к2 = К - 1. Результат составил величину К = = 1.070+0.006. Измеренные эффекты воздушного зазора и воды, качественно подтвердив теорию, оказались несколько меньше расчетных и, следовательно, не должны были представлять опасность для промышленных реакторов. Температурные эффекты были также изучены: было обнаружено, что температура нейтронного спектра выше температуры размножающей среды из-за увеличения поглощения нейтронов с ростом температуры.
Первый промышленный реактор был запущен в 1948 г., и плутоний, наработанный в нем, был использован в первой советской атомной бомбе, испытанной в августе 1949 г.
В этот же период «штурма и натиска» Франк предложил импульсный
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.