Сопоставляя спектр нейтронов с сечением их захвата, возникает логичный вопрос – а как вообще там возможна реакция? Быстрые нейтроны неэффективны, лишь 15% нейтронов имеют нормальный шанс продолжить цепочку распадов, этого явно не хватит для их воспроизводства (размножения) – цепная реакция не должна идти. Как минимум нужен замедлитель, а его, как известно, в бомбу не закладывают.
Движение нейтрона в веществе
Ответ прост. Да, если быстрый нейтрон ударяет в ядро урана – шанс реакции распада невысок. Но нейтрон при этом замедлится (а ядро нагреется). При следующем соударении – еще замедлится. Перед тем, как вылететь за пределы заряда – таких соударений будет тысячи, скорость нейтронов падает, а шансы на реакцию деления при этом растут. Если увеличивать заряд (тем самым увеличивать путь нейтрона сквозь заряд), рано или поздно интеграл произведения спектра на сечение даст нам коэффициент размножения более 1 – мы создали бомбу.
Ха, теперь мы знаем, как считать
критическую массу (точнее, критический размер).
Все что нужно для урана (где коэффициент размножения приблизительно 2), это замедлить 35% нейтронов до того, как они улетят, и в сумме 15+35% мы получаем размножение более 1 -> цепную реакцию.
Конечно с нейтроном происходят не только соударения (неупругие и упругие), будут и поглощение, и утечки. Упрощенно цикл деления можно представить так.
О замедлителе. Мы видим, что без специальных замедлителей вполне можно сделать бомбу. Так зачем они нужны?
Замедление нейтрона зависит от того, с чем он сталкивается. Самое эффективное замедление будет, если сталкивать нейтрон со легким ядром, тогда энергия делится пополам, т.е. наш нейтрон сбрасывает скорость вдвое. Десяток соударений (2^10) – и скорость упала в тысячу раз, два десятка – и нейтрон уже тепловой. С ростом ядра эффективность замедления падает, для очень тяжелого урана уже понадобится тысячи соударений для сброса скорости.
Лучший замедлитель – ядро водорода. А в нормальных условиях – вещество, где этого водорода много, например вода. С одним нюансом – легкий водород эти нейтроны любит не только замедлять, но и поглощать. Поэтому вода понадобится специальная, тяжелая. Впрочем, во многих случаях нам не нужен самый-самый эффективный замедлитель, подойдет любое легкое вещество, которое слабо поглощает. Бериллий (в 9 раз тяжелее нейтрона), даже углерод (графит).
Что нам дает специальный замедлитель? Мы сможем не обогащать уран. В природном уране делящегося U235 мало, нейтроны много чаще будут сталкиваться с U238, который их охотно поглощает.
Плутоний – это конечно хорошо, он потом будет способен к делению (с размножением), но прямо сейчас нейтрон мы потеряли. Поэтому нам выгоднее окружить ядро урана со всех сторон молекулами воды, и замедлять нейтрон ими. Именно так, раствор соли урана в тяжелой воде – и выглядит т.н. гомогенный реактор.
На практике первые реакторы делали иначе – поленица из урана с графитом (гетерогенный реактор). Да и сейчас чаще всего современный реактор – это тонкие стержни урана, вставленные в графитовую оболочку.
Следующий вопрос – а что такое отражатель нейтронов?