События и люди. Издание пятое, исправленное и дополненное. - Анри Рухадзе

Предположим, что вы, катаясь на горных лыжах где-нибудь в районе Шамони или Аварьяза, поднялись по канатной дороге на вершину. Как обычно, у вас есть ряд возможностей для спуска по различным трассам. Но, начав спуск в соответствии с вашим желанием, вы уже выбрали ту долину, в которую будете спускаться. Точно так же поступает ядро, только оно согласует свой выбор не с личным желанием, а со строгими вероятностными законами. Однако некоторые из возможных каналов β-распада приводят к тому, что последовательный β-распад становится весьма затруднительным по причинам, которые мы, из-за их сложности, здесь обсуждать не будем. В нашей аналогии это эквивалентно тому, что на вашем пути оказались скалы или участок без снега. Что же в таких обстоятельствах делать нейтронно-избыточному ядру, каким образом ему избавиться от своего избытка нейтронов? Выход простой: можно излучить нейтрон (в горнолыжном случае — перебраться через препятствие, спустившись немного с помощью промежуточной канатной дороги), после чего продолжить цепочку β-распадов (то есть спуск на лыжах). Такие нейтроны называются «запаздывающими». Но запаздывающие по отношению к чему? Конечно же, к моменту первоначального деления ядра урана. Когда уран-235 поглощает медленный нейтрон, он на миг превращается в уран-236, который тотчас разваливается на два осколка. Этот процесс называется вынужденным делением и сопровождается испусканием 2,4 нейтрона. (Не будем забывать, что один нейтрон мы потратили на деление). Конечно, не надо думать, что испускается дробная часть нейтрона. Просто в одних актах деления испускается два, а в других три нейтрона, и в зависимости от этого, конечно, образуются различные осколки деления.

Нам необходимо обсудить еще один момент. Несмотря на то что как испускание нейтронов, так и β-распад приводят к изменению ядер и в этом смысле являются ядерными процессами, обусловлены они совершенно разными типами взаимодействий. Если нейтроны испускаются за счет так называемых сильных взаимодействий и происходит это, по сути, мгновенно, то β-распад обусловлен слабым взаимодействием, и это совершенно другое характерное время процессов. Очень грубо (да простят нас физики) разделение зон ответственности различных типов взаимодействий в атоме можно представить себе так: электромагнетизм отвечает за устойчивость самого атома (ядро плюс электронная оболочка); сильные — за устойчивость ядра; слабые — за устойчивость нейтрона в ядре. На самом деле, конечно же, такого разграничения полномочий нет и все перемешано, но мы в этой статье не изучаем физику.

В производстве ядерной энергии основную нагрузку несет сильное взаимодействие, поскольку именно оно ответственно за деление ядра и освобождение основной части его энергии. Но процесс деления протекает так быстро, что время появления следующего поколения нейтронов (т. е. тех, которые будут образовываться из-за деления следующего ядра урана с испусканием тех самых 2,4 нейтрона) ограничено только временем их замедления. Мы с вами уже говорили о том, что уран-235 эффективно делится медленными нейтронами. Но время их деления все равно очень мало: за 0,01 секунды будет размножаться тысяча поколений нейтронов. Понятно, что при такой скорости нарастания мощности (поскольку каждый акт деления сопровождается выделением энергии) протекание стационарной ядерной реакции невозможно. Возможен либо режим ядерной бомбы, либо, если нейтроны во время замедления успевают поглотиться где-то в элементах конструкции реактора, цепная реакция прервется, т. е. при столь высокоскоростном процессе никакое регулирование невозможно.

Итак, если бы все нейтроны образовывались только в момент деления, то никакая ядерная энергетика была бы невозможна в принципе, а возможна только ядерная бомба. Это, к счастью, не так, и осколки деления урана также излучают нейтроны. Как мы уже знаем, эти нейтроны называются запаздывающими, поскольку они излучаются в среднем через десять секунд после акта деления, в результате которого и образовались эти осколки. Так вот, именно этому счастливому обстоятельству ядерная энергетика и обязана своим существованием. Таким образом, благодаря сильным взаимодействиям мы добываем энергию, а управляем этим процессом — благодаря слабым взаимодействиям. Десять секунд — это уже вполне достаточное время для того, чтобы иметь возможность механически регулировать интенсивность деления за счет поглощения избыточных нейтронов специальными поглотителями.

Существование запаздывающих нейтронов играет такую же определяющую роль в самом существовании ядерной энергетики,

какую природа отвела максимуму плотности воды. Хорошо известно, что максимум плотности воды приходится на плюс четыре градуса по шкале Цельсия, и именно это обстоятельство спасает реки и озера в Канаде и Сибири от зимнего промерзания до дна; в противном случае все рыбы и другие обитатели водоемов в северных широтах были бы обречены на гибель.

Теперь мы, наконец, приближаемся к своей цели, а именно к попытке понять, каким же образом могла произойти авария. В соответствии с изложенными представлениями аварийная защита (это те, поглощающие нейтроны, стержни) должна успевать входить в реакторное пространство за десять секунд, поскольку это и есть то минимальное время, за которое мощность реактора может возрасти в два с половиной раза. Причем это, так сказать, теоретический предел, реальный же интервал времени, конечно, должен быть больше.

Вполне естественно, что аварийная защита чернобыльского реактора была разработана так, чтобы за десять секунд перекрывать всю активную зону. Но в ту роковую ночь мощность реактора стала нарастать с периодом в три секунды. Поэтому аварийная защита просто не успела выполнить свои функции. Но как такое могло случиться? В чем дело?

Чтобы попытаться понять это, нам необходимо совершить еще один исторический экскурс.

Почти одновременно с открытием радиоактивности ученые начали проводить эксперименты, в которых пытались обнаружить изменение вероятности радиоактивных превращений (периодов полураспада) в зависимости от внешних условий. Радиоактивные образцы подвергали воздействию высоких и низких температур (А. Беккерель, П. Кюри, Э. Резерфорд), высоких давлений, погружали в глубокие шахты (750 м — Эльстер и Гейтель). Согласно авторитетному мнению основоположников ядерной физики (Э. Резерфорд, Дж. Чедвик, Ч. Д. Эллис, П. Кюри, М. Кюри), выходило, что вероятности ядерных процессов не зависят от внешних физико-химических условий. Это обстоятельство отражено в термине «постоянная радиоактивного распада». Развитие квантовой механики в 1930-е годы показало огромное различие атомных и ядерных масштабов размеров и энергий (примерно в миллион раз), что как будто подтверждало выводы основоположников.

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});