Так, если шар делящегося вещества окружить замедлителем, многие нейтроны покинут замедлитель или будут поглощены в нем, но будут и такие, которые, потеряв свою энергию, вернутся в шар («отразятся») и с гораздо большей вероятностью вызовут акты деления (рис. 2.5). В процессе обмена нейтронами между замедлителем и делящимся веществом установится усредненная, пониженная в сравнении с той, с которой они рождаются, энергия нейтронов, вызывающих деление. Если шар окружить слоем бериллия толщиной 25 мм, то можно сэкономить 20 кг U235 и все равно достичь критического состояния сборки. Заплатить за такую экономию придется временем: каждое последующее поколение нейтронов, прежде чем вызвать деление, должно сначала замедлиться. Эта задержка уменьшает число поколений нейтронов, рождающихся в единицу времени, а значит, энерговыделение «затягивается». Чем меньше делящегося вещества в сборке, тем больше требуется замедлителя для развития в ней цепной реакции, а деление идет на все более низкоэнергетичных нейтронах. В предельном случае, когда критичность достигается только на совсем уж тепловых, например, в растворе солей урана в воде[31], масса сборок — сотни граммов, но раствор просто периодически вскипает. Выделяющиеся в объеме пузырьки пара уменьшают среднюю плотность делящегося вещества, и цепная реакция прекращается. Затем пузырьки, всплывая, покидают жидкость и вспышка делений повторяется. Можно, конечно, закупорить сосуд, и тогда пар высокого давления разорвет его. Это будет типичный тепловой взрыв, опасность которого заключается не в мощности, а в радиационных эффектах.
Вот как описан в книге Р. Юнга «Ярче тысячи солнц» закончившийся трагично эксперимент доктора Слотина, правда, не с ураном, а другим делящимся веществом — плутонием (рис. 2.6).
«Задача состояла в том, чтобы достигнуть, но не превзойти критической точки самого начала цепной реакции, которую Слотин должен был немедленно прерывать, раздвигая полушария. Если бы он „проскочил“ критическую точку или недостаточно быстро прервал начавшуюся реакцию в самом ее начале, то масса превзошла бы критическую величину и последовал бы ядерный взрыв…
Сверху: приспособления для отливки заготовки заряда из плутония. Нижний: так обращался с содержащей плутоний сборкой доктор Слотин (фотография взята из отчета комиссии, расследовавшей одну из первых в истории ядерных аварий). Снимок справа вверху дает представление о такой аварии. Сфотографирован образец плутония, правда, не оружейного, как в опыте Слотина, а изотопа с массовым числом 238. Различия в ядерных свойствах „плутониев“ даже более велики, чем „уранов“: в Pu238 не может возникнуть цепная реакция деления, но другие самопроизвольные ядерные реакции протекают столь интенсивно, что металлический Pu238 всегда пребывает в раскаленном состоянии; оружейный Pu239 сравнительно малоактивен (хотя его температура и превышает комнатную на несколько градусов), зато — способен к цепной реакции, которая при определенных условиях может быть взрывной. В опыте Слотина она такой не стала, но Pu239 раскалился, став на несколько секунд похожим внешне на Pu238. Еще один „беспокойный“ изотоп — Pu240 — испускает нейтроны спонтанно и на четыре порядка более интенсивно, чем „оружейный“ собрат. Высокий „примесный“ нейтронный фон не позволяет применять полученный в реакторе плутоний в зарядах ствольного типа, таких, как примененный в бомбе, сброшенной на Хирошиму.
…Неожиданно его отвертка соскользнула. Полушария сошлись слишком близко, и масса стала критичной. Мгновенно все помещение наполнилось ослепительным блеском. Слотин вместо того, чтобы укрыться и, возможно, спасти себя, рванул голыми руками оба полушария в разные стороны и прервал тем самым цепную реакцию».
Надеюсь, читателю очевидны «ляпы»: оказывается, человек в состоянии движениями рук прервать ядерный взрыв, а уж если таковой неминуем — может «укрыться» (уж не спрятавшись ли под стол?).
31
Вода — хороший замедлитель, поскольку содержит много ядер водорода, почти равных нейтронам по массе. Чтобы термализоваться, быстрому нейтрону требуется поучаствовать, в среднем, менее чем в 19-ти столкновениях с ядрами водорода, а с ядрами бериллия — впятеро больше. На первые столкновения быстрые (МэВные) нейтроны затрачивают ничтожное время, длительность термализации определяется в основном последними столкновениями, когда скорости нейтронов приближаются к тепловой.