Такого изотопа нет в природной смеси урана. Это легко понять, если учесть, что ядро урана239 очень неустойчиво: половина всех ядер урана239 распадается примерно за 23 минуты, излучая электрон и нейтрино. При этом, как мы знаем, один из нейтронов превращается в протон. Получающееся ядро имеет на один элементарный положительный заряд больше, чем у урана. Следовательно, в этой ядерной реакции образуется новый элемент периодической системы. Читатель помнит, что в нашей планетной системе за Ураном следует Нептун. В честь этой планеты ученые назвали новый, 93-й элемент нептунием. Таким образом, 93-й элемент может быть получен в реакции:
Уран239→нептуний239+электрон+нейтрино.
Но изотоп нептуний239 также радиоактивен, и половина его ядер за очень короткое время (2,3 дня) распадается, образуя следующий, 94-й элемент — плутоний:
Нептуний239→плутоний239+электрон+нейтрино.
Плутоний также радиоактивный изотоп, но с очень большим периодом полураспада: половина его ядер распадается за 24 тысячи лет.
Все эти превращения схематически показаны на рис. 18.
Рис. 18. Образование плутония239
В настоящее время в лабораториях уже получено десять новых, так называемых трансурановых элементов, которые в периодической системе элементов Менделеева стоят после урана и заняли места до сто второго номера включительно. Из этих элементов, пожалуй, самым ценным оказался изотоп плутония — плутоний239.
Плутоний239 является расцепляющимся материалом. Он делится таким же образом, как и уран235, и может заменить его в любой установке, где выделяется атомная энергия.
Искусственное ядерное горючее может быть получено также из радиоактивного элемента — тория (рис. 19). У тория имеется всего один изотоп с достаточно большим периодом полураспада (14 миллиардов лет) — торий232. При облучении его нейтронами образуется неустойчивый изотоп тория, который после ряда радиоактивных превращений переходит в изотоп урана — уран233. Уран233, так же как уран235 и плутоний239, является хорошим расщепляющимся материалом. Его период полураспада равен примерно 163 тысячам лет.
Рис. 19. Образование урана233
Новые возможности. Итак, теперь мы имеем три сорта ядерного горючего: уран235, уран233 и плутоний239. Энергия, выделяющаяся при делении ядер этих веществ, практически одна и та же, поскольку любое из этих ядер делится на два ядра меньшей массы, а разность энергии связи «осколков» и исходного ядра для всех сортов ядерного горючего почти одинакова.
Из всех расщепляющихся веществ только уран235 в небольшом количестве имеется в природе. Урана233 и плутония239 в природе нет, и чтобы их получить, нужно облучать мощным потоком нейтронов соответственно торий232 и уран238.
Но как получить такое большое количество нейтронов?
Физики уже довольно давно научились изготовлять так называемые искусственные источники нейтронов. Для этой цели обычно используется реакция:
Бериллий9+гелий4→углерод12+нейтрон1.
В качестве источника ядер гелия4 может быть использован радий или полоний, дающие большое количество альфа-частиц. Такой источник обычно состоит из смеси порошка бериллия с солями радия или полония. Маленькие стеклянные или металлические ампулы наполняются смесью и откачиваются до высокого вакуума. Нейтроны почти без потерь проходят через стенки сосуда. Однако наиболее мощные из современных искусственных источников нейтронов дают всего примерно 109 нейтронов в секунду. Но в одном грамме плутония содержится около 3∙1021 ядер. Легко подсчитать, что даже в том случае, если все добытые нейтроны будут поглощаться ядрами урана238, нужно миллион лет, чтобы накопить примерно один грамм ядерного горючего — плутония239.
Для получения нейтронов можно применить очень мощные ускорительные установки, но и в этом случае понадобится 10 лет непрерывной работы для изготовления одного грамма плутония239 или урана233. Таким путем нельзя создать запас больших количеств искусственно расщепляющихся материалов.
К счастью, сам цепной процесс дает нам в руки мощное средство для изготовления ядерного горючего. В самом деле, ядерный реактор является мощным источником нейтронов. Легко подсчитать, что на каждый киловатт-час выделенной реактором энергии должно разделиться примерно 1017 ядер урана235. Но при каждом делении в среднем освобождается 2,5 нейтрона. При работе уранового котла один из этих нейтронов производит новое деление, то есть идет на поддержание цепной реакции. Из оставшихся 1,5 нейтрона один будет поглощен замедлителем, регулирующими стержнями и примесями, а примерно 0,5 нейтрона поглощается в уране238 с последующим образованием плутония239.
Таким образом, даже очень маленький реактор мощностью в один киловатт за один час производит 0,5∙1017 ядер плутония239. В одном грамме плутония содержится около 3∙1021 ядер. Поэтому один грамм нового ядерного горючего образуется за пять — шесть лет.
Если же создать реактор, имеющий тепловую мощность в 1 миллион киловатт, то он даст в сутки около 500 граммов нового ядерного горючего.
Надо учесть, что плутоний и уран — различные химические элементы и их сравнительно легко можно отделять химическими способами. Химическая обработка бывших в работе урановых стержней, в которых образуется плутоний239, обходится значительно дешевле, чем разделение изотопов.
Таким образом, гораздо выгоднее получать ядерное горючее в ядерных реакторах, нежели производить разделение изотопов урана в весьма сложных и громоздких установках.
Размножающие (бридерные) реакторы. Мы видели в нашем примере, что из 2,5 нейтрона, выделяющихся при делении ядра урана235, в среднем один нейтрон идет на поддержание цепной реакции, то есть на новое деление. Один нейтрон поглощается или выходит за пределы активной зоны реактора и только 0,5 нейтрона идет на получение плутония239. Таким образом, каждые два ядра урана235 дают одно ядро плутония239, то есть при расщеплении одного килограмма легкого изотопа урана получается 500 граммов искусственного горючего.
Нельзя ли так построить ядерный реактор, чтобы в нем «сгоревший» уран235 полностью заменялся новым ядерным горючим? Нетрудно догадаться, что в этом случае для получения атомной энергии можно было бы полностью использовать не только ничтожные количества урана235, но и весь природный уран и торий.
В этом случае имеющиеся на земле запасы ядерного горючего были бы увеличены в несколько сот раз.
Оказывается, это вполне возможно.
Для восстановления ядерного горючего необходимо, чтобы каждое деление урана235 приводило к образованию хотя бы одного ядра плутония239 или урана233. Иначе говоря, один из нейтронов, получившихся при делении, должен быть поглощен ураном238 или торием232, которые затем превращаются в ядра плутония239 или урана233. Но для существования цепной реакции, как мы знаем, необходим второй нейтрон, который будет производить деление урана235. Тем самым из образующихся в среднем 2,5 нейтрона при каждом делении два нейтрона должны быть использованы в этих двух процессах. Но в ядерном реакторе имеются различные потери нейтронов, и весьма существенным источником потерь является сам уран235, так как его ядра могут также поглощать нейтроны. При этом деления не происходит, а образуется ядро изотопа урана236, излучающее гамма-квант:
