Fizyka

Zoe

Neutrony bombardujące posiadają zwykle bardzo wielką prędkość (rzędu 107 m/sek). Gdy naturalny uran bombardujemy szybkimi neutronami, wówczas przeważają zderzenia z jądrami U238 (z powodu małych ilości U235). Prawdopodobieństwo pęknięcia jądra U238 (ze względu na jego strukturę) jest jednak znikome. Zderzenie szybkiego neutronu z jądrem U238 ma najczęściej charakter zderzenia dwóch kul. Neutron traci podczas zderzenia część swej energii, przy czym część bardzo małą, gdyż posiada masę 238 razy mniejszą niż druga „kula“. Rozpatrywany neutron, o zmniejszonej już teraz energii, ulega powtórnemu zderzeniu, z innym jądrem U238, tracąc dalszą porcję energii itd. wielokrotnie. Energia neutronu zmniejsza się więc bardzo małymi porcjami w sposób niemal ciągły, dochodząc do pewnego dość wąskiego przedziału niskich energii, przy którym jądro U238 posiada własność chwytania neutronów. Nie pęka przy tym, lecz ulega szeregowi innych przemian, prowadzących do nowego pierwiastka — plutonu. W każdym razie jest to dla reakcji łańcuchowej zjawisko pasożytnicze, gdyż usuwa neutrony.

Proces ten można osłabić przez użycie tzw. moderatora, tj. substancji o lekkich jądrach nie pochłaniających neutronów, np. grafitu. Przy zderzeniach neutronów z jądrami moderatora (o masie zbliżonej do masy neutronu), podobnie jak przy sprężystym zderzeniu kul o zbliżonej masie, neutron traci energię dużymi porcjami. Istnieje więc duże prawdopodobieństwo, że „przeskoczy“ pułapkę zastawioną przez U238 i osiągnie prędkości termiczne, tj. prędkości około 2000 m/sek., zbliżone do prędkości ruchu cieplnego cząsteczek gazów. Teraz zderzenia z jądrami U238 przestają być groźne dla reakcji łańcuchowej, natomiast do głosu dochodzi izotop U235. Neutrony termiczne (powolne), zderzając się z jądrami U235, wywołują ów pożądany proces pękania, wytwarzający nowe szybkie neutrony.

W reaktorach amerykańskich grafit, używany jako moderator, nie jest zwyczajnie zmieszany z uranem, lecz według sposobu Fermiego i Szi-larda stosowany jest w postaci dostatecznie grubych warstw między dość dużymi bryłami uranu. Szybkie neutrony, tworzące się w wyniku pękania jąder U235, wybiegają w przeważającej ilości z bryły uranu, gdyż nie jest ona zbyt wielka. Trafiają do warstwy grafitu mającej grubość taką, że neutrony stają się dostatecznie powolne (prędkość termiczna) i z prędkością niższą od niebezpiecznej wartości, przy której mogą być schwytane przez U238, przechodzą do sąsiedniej bryły uranu lub „odbite“ od grafitu wracają do bryły wyjściowej. Takie neutrony wywołują pękanie U235 i powstawanie nowych szybkich neutronów.

Uczeni francuscy jako moderatora użyli ciężkiej wody (rolę hamującą odgrywają tu atomy ciężkiego wodoru) zamiast zwykle stosowanego grafitu. Litera „E“ jest więc wyjaśniona.

Woda ciężka wymaga mniej niż grafit uranu, a przy tym pozwala stosować tlenek uranu zamiast wolnego uranu. Jądra atomów uranu w związkach chemicznych zachowują takie same własności jak w wolnym uranie. Chemik francuski, Bertrand Goldschmidt, zaproponował użycie zamiast uęanu, jako „paliwa“ atomowego, tlenku uranu UO2, łatwiejszego do otrzymywania w stanie czystym niż metaliczny uran.

Wyjaśniliśmy więc i drugą literę — „O“. Nawiasem mówiąc, zastosowanie tlenku uranu zamiast metalicznego uranu uprościło wprawdzie procesy chemiczne, skomplikowało jednak obliczenia, wprowadzając do rachunku pewne czynniki nieznane.

Zarówno tlenek uranu jak i moderator oraz wszystkie inne materiały, znajdujące się w reaktorze, muszą być wolne od jakichkolwiek da-mieszek, które pochłaniając neutrony mogą zahamować reakcję łańcuchową. Oczyszczanie substancji odgrywało więc przy budowie reaktora zasadniczą rolę. Najdrobniejsze nawet ślady pewnych zanieczyszczeń (w stosunku kilku części na milion) paraliżują funkcjonowanie reaktora. Toteż czystość substancji sprawdzano najbardziej czułymi metodami chemicznymi, fizykochemicznymi, czy zgoła fizycznymi (spektroskopia, spektograf masowy itd.).

Materiałem wyjściowym do otrzymania brunatnego tlenku uranu U02 był czarny tlenek uranu U3O8, zawierający kilka procent zanieczyszczeń, W szeregu procesów chemicznych, przeprowadzano go poprzez tlenki UO4 i UOs w tlenek UO2 o najwyższym stopniu czystości; takiej czystości przemysł chemiczny nigdy przedtem nie osiągnął. Ostrożności, zachowywane tu przy poszczególnych czynnościach chemicznych, dadzą się porównać chyba tylko ze starannością wymaganą przy operacjach chirurgicznych.

Tlenek uranu UO2, otrzymywany przez tzw. redukcję tlenku UO3 wodorem, ma postać drobnoziarnistego proszku, nie nadającego się do wyrobu prętów. Toteż sprasowywano go w formach stalowych, a następnie prażono w specjalnych piecach. Bateria złożona z ośmiu takich pieców działała bez przerwy dniem i nocą w ciągu trzech miesięcy. Pręty z przyrządzonego w ten sposób tlenku uranu umieszczano w rurach z glinu (aluminium).

Glin znalazł tu zastosowanie jako metal wytrzymały na wysoką temperaturę i prawie nie pochłaniający neutronów. W wysokich temperaturach glin ulega jednak tzw. korozji i posiada małą wytrzymałość mechaniczną.

Leave a Comment

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *