ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Ускорители и ядерные реакторы — современные источники ядерных частиц из "Новые элементы в периодической системе Д И Менделеева Издание 2" Однако для широкого исследования ядерных реакций было недостаточно одних радиоактивных источников. Во-первых, эти источники давали возможность исследовать лишь реакции, протекающие под действием а-частиц или нейтронов. Во-вторых, количества а-частиц, испускаемых такими источниками, были недостаточны для исследования многих маловероятных ядерных реакций. В-третьих, энергии а-частиц, испускаемых этими источниками, не превышали 8,8 Мэе, а этих энергий недостаточно для преодоления электрического потенциального барьера не только самых тяжёлых ядер, но уже и таких относительно лёгких ядер, как олово, медь, железо. [c.54] Для дальнейшего развития экспериментальной ядерной физики потребовалось создание специальных ускорительных установок, позволяющих получить мощные потоки различных заряженных частиц — протонов, дейтонов, а-частиц с энергиями до нескольких Мэе и даже нескольких десятков Мэе. Тридцатые годы XX в. ознаменовались мощным развитием ускорительной техники, обеспечившей новые успехи в деле изучения ядерных реакций. [c.55] Первые установки, созданные для ускорения заряженных ядерных частиц, были основаны на ускорении в постоянном электрическом поле. В таких установках энергия однозарядных частиц после ускорения равнялась разности потенциалов между электродами. Главная трудность при создании ускорения постоянным полем состояла в том, чтобы обеспечить очень высокую разность потенциалов (до нескольких миллионов вольт) между двумя электродами. Хотя эта задача и была решена, но установки для ускорения частиц в постоянном электрическом поле оказались очень громоздкими и дорогостоящими и к тому же обеспечивали ускоряющую разность потенциалов не свыше 5 Мэе. Между тем для решения ряда физических задач требовалось ускорение ядерных частиц до ещё больших энергий. Эта задача была выполнена уже на основании многократного ускорения частиц переменным электрическим полем. [c.55] Таким образом, хотя разность потенциалов между дуантами относительно не очень велика (порядка десятков или сотен тысяч вольт), ион ускоряется этой разностью потенциалов много раз и в результате набирает большую энергию. На циклотронах удалось получить протоны с энергией до 9 Мэе, Дейтоны с энергией до 18 Мэв и а-частицы с энергией до 35 Мэа. При этом токи частиц такой энергии достигают единиц и десятков микроампер, т. е. около —10 частиц в секунду. Чтобы получить такое количество а-частиц, надо было бы иметь источники в сотни граммов радия. [c.57] Частота переменного электрического поля на дуантах циклотрона должна соответствовать периоду обращения ионов в магнитном поле. Однако ионы не всегда проходят между двумя пребываниями в зазоре одинаковые пути. Вначале они раскручиваются по окружностям с малыми радиусами, а затем по мере накопления энергии эти радиусы всё увеличиваются, так что полный путь ионов — от места входа в камеру до окошка, через которое они выводятся наружу, — предста-вляет-как бы раскручивающуюся спираль. Тем не менее, время оборота иона не зависит от радиуса окружности, по которой он двигается, ибо линейная скорость движения иона возрастает пропорционально радиусу. [c.57] Постоянство времени обращения в дуантах лежало в основе устройства циклотрона. Однако это постоянство сохраняется лишь при таких энергиях ионов, для которых соответствующая прибавка массы ничтожно мала по сравнению с массой покоя ионов. [c.57] Благодаря ускорителям за последние 15—20 лет были изучены тысячи различных ядерных реакций и искусственно приготовлены сотни радиоактивных изотопов. [c.58] Однако подлинный переворот в масштабах получения нейтронов для осуществления всевозможных ядерных реакций произвело появление так называемых ядерных реакторов (атомных котлов) — установок, в которых происходит само-поддерживающаяся, цепная реакция деления урана нейтронами. Процесс деления урана под действием медленных нейтронов был обнаружен впервые в 1939 г. О. Ханом и Ф. Штрасманом, и исследование этого процесса положило начало работам, связанным с атомной энергией. [c.58] Выше мы говорили, что при ядерных реакциях, например при образовании ядра гелия из протонов и нейтронов, может высвобождаться огромная энергия. Однако все идущие с выделением энергии реакции, изученные до деления урана, не могли быть использованы в качестве источников энергии. Для протекания этих реакций нужно было непрерывно поставлять бомбардирующие частицы, а вероятность превращений была столь мала, что не могла итти ни в какое сравнение с затратами энергии, необходимыми для ускорения исходных частиц. [c.58] Принципиальное различие деления урана (при котором тоже высвобождается большая энергия) от всех этих реакций состоит в том, что при таком делении наряду с осколками испускаются два или три нейтрона, т. е. вновь появляются те самые частицы, которые вызвали первый акт превращения, да ещё к тому же в большем количестве (рис. 15). [c.58] Это замедление происходит очень малыми порциями, потому что ядра урана гораздо тяжелее нейтронов и при каждом столкновении нейтроны теряют очень малую величину энергии. Вследствие этого огромное большинство нейтронов попадает по мере замедления в область энергий, соответствующую поглощению ядрами и поглощается. [c.60] На этом реакция и заканчивается (рис. 16). [c.60] Чтобы осуществить незатухающую цепную реакцию деления урана, можно итти двумя путями. [c.60] Первый путь состоит в разделении изотопов урана. Если выделить в чистом виде то в куске этого изотопа нейтроны, замедляясь, рано или поздно обязательно вызовут новое деление, новое умножение числа нейтронов. Убыль нейтронов происходит только за счёт их вылета за пределы урана. При достаточно больших массах урана, превышающих так называемую критическую массу, эта убыль становится несущественной и происходят быстрое размножение нейтронов и взрыв. На этом принципе построена атомная бомба. [c.60] На этом принципе и построены ядерные реакторы, в которых уран определённым образом размещается в замедляющей среде. Наилучшим замедлителем нейтронов мог бы служить водород. Поскольку массы протонов и нейтронов почти одинаковы, нейтрон может потерять при столкновении с протоном практически всю свою кинетическую энергию, передав её протону. Однако протоны довольно эффективно захватывают медленные нейтроны с образованием ядер дейтерия (Н1- -/г1-)- (-1-Н ). Поэтому в качестве замедлителей в реакторе обычно используются углерод (графит) или дейтерий (в виде тяжёлой воды В.зО). [c.61] При работе ядерного реактора испускаемые в первом акте деления нейтроны замедляются до малых энергий, вызывают новые акты деления и новое размножение нейтронов таким образом, идёт цепная реакция деления При этом непрерывно образуются различные осколки деления— устойчивые и главным образом радиоактивные изотопы многих ядер, расположенных в середине периодической системы. Поэтому ядерные реакторы являются наиболее мощным средством получения большого числа радиоактивных изотопов. [c.61] Наряду с делением имеет место захват части нейтронов ядрами При этом получается изотоп превращающийся в результате двух последовательных -ра-спадов в элемент 94 — плутоний, о котором дальше будет говориться подробнее. Плутоний по своей способности к делению близок к и служит наряду с этим изотопом урана основным материалом при изготовлении атомных бомб. [c.61] Принцип действия ядерного реактора иллюстрируется рисунком 17. [c.61] Нейтроны, к числу таких материалов о носйтсй, в чйсТност й, кадмий. Если вдвинуть внутрь реактора кадмиевые стержни, концентрация нейтронов резко падает и цепная реакция прекращается. При выдвинутых стержнях происходит развитие цепной реакции, ускоряемой или замедляемой переменой положения стержней. [c.62] Вернуться к основной статье