Атомная энергия для военных целей - Генри Смит

Глава VIII. Проблема плутония с января 1943 г. до июня 1945 г.

ВВЕДЕНИЕ

8.1. Необходимость ускорения проектирования и постройки плутониевой установки промышленного масштаба одновременно с проведением исследовательской работы неизбежно приводила к некоторой путанице и застою. Пришлось исследовать много конкурирующих процессов и доискиваться возможных причин неудачи, даже когда вероятность их серьезного значения была очень мала. Теперь, когда завод в Хэнфорде успешно производит плутоний, пожалуй, можно сказать, что большой процент результатов исследований, произведенных между концом 1942 и концом 1944 г., никогда не будет использован, по крайней мере, для поставленных вначале целей. Тем не менее, если бы Хэнфордский завод попал в затруднительное положение, то какое-нибудь из исследований, излишних в настоящее время, могло бы дать как раз нужную информацию для того, чтобы превратить неудачу в успех. Даже теперь невозможно утверждать, что будущие усовершенствования не зависят от результатов исследований, кажущихся столь маловажными сегодня.

8.2. Можно думать, что потребовалось бы томов тридцать для полного отчета по существенным научным результатам исследований, проведенных в связи с Металлургическим проектом. Работа производилась по каждому пункту исследовательской программы, приведенной в предыдущей главе. В настоящем отчете, очевидно, было бы совершенно невозможно дать нечто большее, чем краткий обзор всех этих исследований. Мы думаем, что этого было бы недостаточно, и что лучше дать общее описание установок, в которых осуществлялась цепная реакция и выделялся плутоний, в том виде, как они действуют теперь, с некоторыми отступлениями для рассмотрения более ранних конструкций.

ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ В КОТЛЕ

8.3. В главе I и других предыдущих главах мы дали краткое описание процесса деления, работы котла и химического отделения. Прежде, чем перейти к описанию самих установок для получения плутония, мы рассмотрим эти вопросы с несколько иной точки зрения.

8.4. Работа котла зависит от прохождения нейтронов сквозь вещество и характера столкновений нейтронов с встречающимися на их пути ядрами. Важнейшими типами столкновений являются следующие:

I. Столкновения, при которых нейтроны рассеиваются и теряют значительные количества энергии: (a) неупругие столкновения быстрых нейтронов с ядрами урана; (b) упругие столкновения быстрых нейтронов или нейтронов средних скоростей с легкими ядрами вещества замедлителя; в результате этих столкновений энергия нейтронов уменьшается до весьма малых (так называемых тепловых) значений. II. Столкновения, при которых нейтроны поглощаются: (а) столкновения, которые приводят к делению ядер и дают продукты деления и добавочные нейтроны; (b) столкновения, которые приводят к образованию новых ядер, испытывающих затем радиоактивный распад (например 92U239, превращающийся в 94Pu239).

8.5. Только столкновения второго типа требуют дальнейшего рассмотрения. Из столкновений типа II(а), происходящих в котле, наиболее важными являются столкновения нейтронов с U-235, но нужно также учитывать деление U-238 быстрыми нейтронами и деление тепловыми нейтронами Pu−239. Столкновения типа II(b) это, главным образом, столкновения между нейтронами и U-238. Они случаются с нейтронами любых энергий, но наиболее вероятны для нейтронов, энергии которых лежат в «резонансной» области, расположенной несколько выше тепловых энергий. Ход ядерных реакций при столкновениях типа II(b) может быть представлен следующим образом:

+ γ-лучи

(23 минуты)

+ γ-лучи (2,3 дня)

8.6. Все иные процессы поглощения, не сопровождаемые делением, важны, главным образом, из-за потерь нейтронов; они происходят в замедлителе, в U-235, в охлаждающей жидкости, в имеющихся вначале примесях, в продуктах деления и даже в самом плутонии.

8.7. Так как целью цепной реакции является производство плутония, казалось, было бы желательным, чтобы весь излишек нейтронов был поглощен в U-238, и осталось бы только такое количество нейтронов, которого как раз достаточно, чтобы вызывать деление и, таким образом, поддерживать цепную реакцию. В действительности же тенденция нейтронов к поглощению преобладающим изотопом U-238 настолько велика, сравнительно с тенденцией вызывать деление в 140 раз более редкого U-235, что для получения цепной реакции главные усилия при проектировании должны были быть направлены на создание благоприятных условий для деления (путем применения замедлителя, подходящей решетки, материалов высокой чистоты и пр.).

См. рис. 4 на стр. 44.

8.8. Все котлы, сконструированные Металлургической лабораторией или при ее содействии, содержали в себе четыре вида материалов: металлический уран, замедлитель, охлаждающее вещество и вспомогательные материалы трубки, защитные оболочки урана, стержни управления, примеси и пр. Начало реакции во всех котлах связано с блуждающими нейтронами, возникающими в результате спонтанного деления или под действием космических лучей.

8.9. Предположим, что котел может начать действовать при одновременном освобождении (в металлическом уране) № быстрых нейтронов. Большая часть этих частик первоначально обладает энергиями, превышающими порог деления U-238. Однако, в силу того, что нейтроны испытывают неупругие столкновения с ураном и упругие столкновения с замедлителем, их энергия падает с течением времени ниже указанного порога. В частности, в котле с графитовым замедлителем нейтрон, вылетевший из урана в графит (средняя длина пробега в графите 2,5 см), испытает в среднем около 200 упругих столкновений прежде, чем перейдет из графита обратно в уран. Так как при каждом таком столкновении нейтрон теряет, в среднем, около 1/6 своей энергии, то нейтрон с начальной энергией в 1 MeV уменьшит свею энергию до тепловой (обычно принимаемой в 0,025 eV) значительно раньше, чем пройдет через графит. Конечно, имеется много нейтронов, поведение которых отступает от этого среднего, и быстрые нейтроны смогут все же вызвать некоторое число делений, в результате которых число наличных нейтронов слегка повысится. Это увеличение можно учесть, умножив первоначальное число нейтронов № на множитель ε коэффициент размножения за счет быстрых нейтронов (the fast multiplication factor).

8.10. Так как средняя энергия имеющихся № нейтронов продолжает падать, то неупругие соударения с ураном теряют свое значение, и уменьшение энергии происходит, в основном, в замедлителе. При достижении промежуточных значений энергии интервала энергий «резонансного захвата» вероятность поглощения без деления в U-238 становится значительной. Некоторое число нейтронов в этом интервале энергии будет поглощено независимо от выбора конструкции решетки. Влияние резонансного захвата можно учесть, умножив Nε на число p (всегда меньшее единицы), выражающее вероятность того, что данный нейтрон с начальной энергией выше резонансной достигнет тепловой энергии без поглощения ураном 238. Таким образом, из первоначального числа № нейтронов с высокой энергией мы получили Nεp нейтронов с тепловой энергией.

8.11. Как только нейтрон достиг тепловой энергии, вероятность дальнейшего замедления в результате соударений оказывается не большей, чем вероятность увеличения скорости. Следовательно, нейтроны будут обладать той же средней энергией до тех пор, пока они не будут поглощены. В интервале тепловых энергий вероятность поглощения нейтронов замедлителем, охладителем или вспомогательными материалами будет больше, чем в интервале более высоких значений энергии. Во всяком случае подсчитано, что если допустить, что все подобные нежелательные поглощения имеют место именно в этом интервале, то ошибка будет невелика. Введем множитель f коэффициент использования тепловых нейтронов, определяющий вероятность того, что данный тепловой нейтрон будет поглощен ураном. Таким образом, из первоначального числа № быстрых нейтронов мы получаем число Nεpf тепловых нейтронов, поглощаемых ураном.

8.12. Хотя существует несколько способов, которыми нормальная смесь изотопов урана может поглощать нейтроны, но, как может вспомнить читатель, в одной из предыдущих глав мы ввели величину η, представляющую собой число освобождаемых при делении нейтронов, приходящихся на каждый поглощенный ураном тепловой нейтрон, независимо от того, какими из этих способов осуществляется процесс. Если мы умножим число тепловых нейтронов, поглощенных ураном, Nεpf на η, то получим число новых быстрых нейтронов, рожденных № первоначальными быстрыми нейтронами в течение их жизни. Если Nεpfη > N, то развитие ценной реакции возможно, так как число нейтронов в этом случае непрерывно возрастает. Очевидно, что εpfη = k∞, где k∞ коэффициент размножения (см. главу IV).