Откуда берется самый первый нейтрон?

Давно у нас не было ядерных постов, и сегодня пришло время снова немного воскресить рубрику. Я уже рассказывал, откуда берется ядерная энергия здесь и здесь. Напомню, что деление ядер урана – основного источника ядерной энергии сегодня – происходит при попадании в него нейтрона. При этом ядро раскалывается на два высокоэнергетичных осколка, и вылетает еще несколько нейтронов, которые в дальнейшем также приводят к делению. То есть запускается цепная реакция деления.

Но мало кого интересует следующее: ну вот мы на атомной станции загрузили в реактор топливо, содержащее уран, налили водички, закрыли крышкой и ждем, пока водичка закипит, и зажжется свет во всем городе, но он не загорается. Почему?

Потому что нет того самого первого нейтрона, который попадет в первое ядро урана и запустит реакцию. Да, конечно, у урана есть способность и к спонтанному делению. Это когда ядро урана вместо того, чтобы испустить альфа-частицу, как это обычно происходит (о свойствах урана я писал здесь), вдруг делится без участия нейтрона. Но, во-первых, вероятность такого события крайне мала (как минимум, в миллион раз меньше, чем испустить альфа-частицу), а во-вторых, так как она все-таки существует, топливо холодного реактора находится в подкритическом состоянии. То есть каждое следующее поколение нейтронов в среднем дает меньше делений, чем предыдущее (об этом можно почитать тут). Это нужно, чтобы во время транспортировки, загрузки и других подготовительных манипуляций реактор не запустился сам по себе раньше времени за счет того малого количества нейтронов, которые все-таки образуются при спонтанном делении. Мы же не хотим повторить трагедии, при игре с критической массой, подобные инцидентам со Злотиным и Дагляном. Достигается это разделением топлива на части при перевозке, постепенным добавлением сборок в реактор и изначально введенными поглощающими стержнями.

Где же взять этот первый нейтрон?

Об этом, конечно же, инженеры позаботились и придумали источники нейтронов. Существует огромное количество их разновидностей, мы поговорим о самых распространенных.

Первыми источниками нейтронов, которые до сих пор повсеместно используются, в том числе, на атомных станциях ­– это (α, n)-источники. Они дешевые, портативные и проверенные годами. Они состоят из смеси двух материалов (в основном в порошкообразном виде), один из которых излучает альфа-частицы, а другой склонен к (α, n)-реакции, т.е. при попадании в него альфа-частицы испускает нейтрон. Веществом, склонным к такой реакции, на практике является бериллий, а источником альфа-частиц – альфа-активный изотоп с подходящей энергией частиц. Исторически первые нейтронные источники делали на радии, поэтому они назывались радий-бериллиевыми.

Радий или другой радиоактивный элемент испускает альфа-частицы, которые попадают в находящийся рядом с ним бериллий. Тот, поглотив частицу, превращается в углерод-12, но это ядро углерода из-за избытка энергии, которую принесла с собой альфа-частица (она же с какой-то скоростью двигалась) образуется в возбужденном состоянии, поэтому ему из-за особенностей строения ядра выгодно сбросить эту энергию в виде нейтрона, вылетающего оттуда с определенной скоростью. Опять этот закон сохранения энергии нас везде преследует, чтоб его!

Такие (α, n)-источники – это спрессованный в таблетку порошок альфа-активного вещества и бериллия, запаянный в металлическую газонепроницаемую оболочку. Сейчас радий-бериллиевые источники вытесняются более совершенными америций-бериллиевыми, т.к. радий имеет свойство сильно фонить гамма-излучением, чего нельзя сказать об америции.

Вот такую вот таблетку вводят в ядерный реактор при запуске. Первые нейтроны запускают цепную реакцию деления ядер урана, в немного подкритическом состоянии, одновременно из зоны постепенно выводятся поглощающие стержни, и таким образом реактор плавно выходит в критическое состояние, в котором идет самоподдерживающаяся цепная реакция, и таблетка перестает быть нужна.