^{Рис. 12. Схема диффузионной ячейки для разделения изотопов урана. В отверстия А поступает шестифтористый уран. Через В откачивают продиффундированный газ с увеличенным содержанием легкого изотопа. Из Д выходит газ, содержащий тяжелый изотоп урана}

Благодаря малому различию атомных весов изотопов урана изменения изотопного состава газа в обоих сосудах очень малы. Поэтому для получения почти чистого урана²³⁵ и полного извлечения его из природного урана нужны тысячи таких ступеней разделения.

Другой способ основан на явлении так называемой термодиффузии газов. Если в сосуде, наполненном шестифтористым ураном, создать большой перепад температуры, то благодаря различию скоростей частиц газ, содержащий тяжелый изотоп, будет скопляться в холодной, а легкий — в горячей части сосуда. Здесь для достаточно эффективного разделения изотопов урана тоже необходимо очень много ступеней очистки.

На совершенно другом принципе основан электромагнитный способ разделения. В основе этого метода лежит принцип масспектрографа, с помощью которого производились измерения масс различных изотопов. Смесь ионов различных изотопов ускоряют в электрическом поле и направляют между полюсами сильного электромагнита. Как известно, движущиеся таким образом ионы будут описывать круговые линии в плоскости, параллельной поверхности полюсов магнита. Кривизна этих круговых линий при прочих равных условиях зависит от массы иона. Более легкий ион описывает окружность меньшего радиуса. Таким образом, выпущенные из масспектрографа ионы различных изотопов могут улавливаться в разных местах. Движение иона по правильной круговой орбите возможно лишь при условии, что на всем пути ион не столкнется с какой-либо молекулой газа. Поэтому из камеры прибора тщательно откачивают воздух.

В одном аппарате такого рода можно сразу получить довольно чистые продукты разделения. Однако производительность установки очень мала. Поэтому опять-таки нужно много ячеек для получения достаточного количества урана²³⁵.

Все известные в промышленности способы разделения изотопов очень сложны. Но, несмотря на это, чистые изотопы урана получают в довольно больших количествах.

Критический вес. Уголь — прекрасный горючий материал. Но попробуйте осуществить горение в маленьком куске каменного угля. Вам это не удастся. Химическая реакция горения не может поддерживать сама себя в малом объеме.

Вместе с тем большая масса угля в топке легко сгорит до конца.

Горение угля может происходить только при температуре 500–600 градусов, то есть оно может поддерживаться только тогда, когда выделяющегося при реакции тепла достаточно, чтобы нагреть соседние слои угля до этой температуры. Но тогда нужно, чтобы меньше тепла уходило через поверхность горящего тела. Очевидно, что потеря тепла зависит от величины поверхности горящего тела, а относительная величина поверхности растет с уменьшением размеров тела. Так, например, для шара диаметром 20 сантиметров отношение поверхности к объему будет 0,3, тогда как при диаметре шара 2 сантиметра это же соотношение будет 3, то есть в десять раз больше. Естественно, что при горении малый шар будет терять относительно больше тепла, чем большой. Потеря тепла может быть настолько велика, что горение перестанет само себя поддерживать.

Таким образом, химическую реакцию горения можно осуществить только в достаточно большом объеме^[6].

Так же как и химический, ядерный цепной процесс не может идти в малом куске расщепляющегося материала.

Для цепного процесса в уране необходимо, чтобы нейтроны, получающиеся при делении, производили новые деления. Но так как ядра составляют ничтожную часть объема вещества, нейтроны могут свободно пройти сквозь малый объем урана²³⁵, не задев ни одного ядра, то есть не совершив нового деления (на рис. 13, А). Нужно уменьшить выход нейтронов, а это можно сделать двумя способами. Во-первых, можно увеличить объем (на рис. 13, Б), при этом уменьшится относительное значение поверхности куска урана и, следовательно, уменьшится вероятность выхода нейтронов через эту поверхность. Во-вторых, выход нейтронов можно уменьшить, окружив кусок урана веществом, отражающим нейтроны (на рис. 13, В). Нейтроны, сталкиваясь с ядрами вещества отражателя, будут частично возвращаться обратно в уран, где вновь примут участие в цепном процессе.

^{Рис. 13. Критический вес урана. В малом куске урана (А) цепной процесс не идет: нейтроны деления выходят наружу. В большом куске (Б) нейтроны деления производят новые деления: цепной процесс поддерживается. Выход нейтронов можно уменьшить, окружив малый кусок урана слоем отражателя (В)}

Для осуществления цепного процесса в уране необходимо, чтобы кусок урана был больше определенного объема или чтобы вес куска урана был больше так называемого критического веса.

Чем же определяется критический вес куска урана²³⁵? Легко показать, что необходимым и достаточным для осуществления цепной реакции является условие, при котором хотя бы один из нейтронов деления производит новое деление.

Предположим, что в каждом акте деления получаются три нейтрона (рис. 14). Один из нейтронов может после ряда соударений с ядрами урана или вещества отражателя произвести еще одно деление; при этом появятся опять три нейтрона. Другой нейтрон может, столкнувшись с ядром какого-либо вещества посторонней примеси, им поглотиться; новых нейтронов при этом возникать не будет. И, наконец, третий нейтрон может выйти за пределы урана и отражателя, не произведя ядерной реакции.

^{Рис. 14. Условие существования цепного процесса. Один нейтрон деления должен совершить еще одно деление}

Но, несмотря на эти потери нейтронов, реакция будет себя поддерживать. Действительно, в начале процесса после первого деления было три нейтрона. Это первое поколение нейтронов исчезло, но дало «жизнь» еще трем нейтронам второго поколения. Если в результате одного деления, произведенного вторым поколением нейтронов, появятся опять три нейтрона, то число нейтронов в последующих поколениях будет одинаковое. Если число нейтронов, рождающихся в единицу времени, постоянно, то постоянно и число ядерных делений, а следовательно, и количество выделяющейся энергии. Иначе говоря, уровень мощности такой атомной установки будет постоянным.

Очевидно, что критический вес, при котором начинается цепной процесс, есть тот минимальный вес, при котором каждое поколение нейтронов рождает последующее поколение, состоящее из такого же количества нейтронов, то есть потери нейтронов вследствие утечки или поглощения примесями должны быть полностью компенсированы образующимися в уране нейтронами.

Критический вес зависит прежде всего от формы куска урана, которая определяет величину поверхности. Можно показать, что при одном и том же объеме (или весе) наименьшей поверхностью обладает шар. Например, при одинаковом объеме, равном 125 кубическим сантиметрам, тонкая пластинка размером 25×5×1 сантиметр имеет примерно в три раза бóльшую поверхность, чем поверхность шара радиусом 3,1 сантиметра. Поэтому критический вес сферического куска урана — наименьший и для чистого урана²³⁵ равен примерно одному килограмму. Критический вес может быть значительно уменьшен применением отражателя, препятствующего утечке нейтронов.