Уран-235: от бомбы до природного ядерного реактора

75 лет назад на японский город Хиросима была сброшена первая в истории человечества атомная бомба «Малыш». Ее начинку составлял радиоактивный нуклид химического элемента урана с атомным номером 92 и массовым числом 235. О нем мы и поговорим.

Еще сто лет назад распад тяжелых ядер на более легкие элементы считался невозможным. Но в 1930-х годах команда ученых во главе с итальянским физиком Энрико Ферми и немецкими химиками Отто Ганом и Фрицем Штрассманом сумели расщепить ядра атомов урана с помощью облучения нейтронами. Это революционное событие стало началом эпохи ядерного оружия. Его основным компонентом до сих пор является уран-235 — он единственный среди изотопов урана способен поддерживать цепную ядерную реакцию.

Именно это чудо-свойство изотопа используется при создании атомной бомбы — уран-235 отвечает за размножение нейтронов в природном уране-238. Процесс выглядит так: ядро урана-235 «обстреливают» нейтронами, из-за чего оно теряет стабильность и вскоре делится на две неравные части. В ходе этой реакции отделяется два-три новых нейтрона. Если они снова попадают в ядра урана, происходит размножение нейтронов в геометрической прогрессии — идет цепная реакция, что приводит к взрыву из-за быстрого выделения огромного количества тепла. С ураном-238, который составляет 99% природного урана, ничего подобного не происходит.

Уран-235 встречается в природе в крайне малом количестве, он составляет всего 0,72% от природного урана. Потому цепная реакция деления у природного урана очень быстро затухает. Для создания ядерного оружия уран специально обогащают, и это довольно затратный процесс. Бомба «Малыш» (Little Boy), упавшая на Хиросиму, содержала 64 кг очень дорогого высокообогащенного урана, добытого в Конго, Канаде и США. И только 700 г из них непосредственно участвовали в цепной ядерной реакции. Радиоактивное загрязнение в Хиросиме было не слишком велико: непрореагировавший уран является слаборадиоактивным по сравнению с продуктами ядерной реакции. Японцы вскоре снова заселили разрушенный город, и сегодня в нем живут более 1,2 млн человек.

Когда шла работа над первой атомной бомбой в истории человечества, ученые спорили о том, сколько урана-235 в ней должно быть. Немецкий физик Вернер Гейзенберг подсчитал, что США потребуется 2 тонны урана-235. Датский ученый Нильс Бор заявлял, что изготовить бомбу можно при условии, что она будет сделана на основе чистого урана-235. Однако уровень технологий конца 1930-х годов не позволял добывать этот редкий изотоп тоннами. Так что Нильсу пришлось признать: «Да, бомбу создать мы, конечно, сможем, но нам потребуется помощь всей страны». Конструкция бомбы пушечного типа «Малыш» была разработана под руководством Уильяма Парсонса. На производство 1 кг 80-процентного обогащенного урана-235 по технологии 1945 года требовалось около 600 000 кВт∙ч электроэнергии и более 200 кг природного урана. Один «Малыш» с урановым зарядом массой 60 кг обходился в 36000 МВт∙ч энергии, более 12 тонн урана и полтора месяца непрерывной работы промышленного гиганта в Ок-Ридже. Из-за дороговизны процесса производства ядерные заряды пушечного типа утратили актуальность. Современные бомбы делаются по имплозивному принципу.

Период полураспада у всех изотопов урана очень длительный. У урана-235 — это 700 млн лет, а у урана-238 — 4,4 млрд лет, он долгожитель среди своих «собратьев». Радиоактивность природного металла настолько низкая, что люди, работающие на урановых приисках, обычно не имеют лучевой болезни. Популярна легенда об академике Игоре Курчатове, «отце» советской атомной бомбы. После работы с ураном он обыкновенно протирал руки обычной салфеткой или платком и при этом не имел со здоровьем никаких проблем, вызванных радиацией.

Но уран-235, который находится в природе в ничтожно малом количестве, гораздо более радиоактивен. В этом «виновато» его особенное строение: баланс между отталкивающей силой протонов в ядре атома и силой поверхностного натяжения, удерживающей ядро от распада, гораздо более хрупкий, чем в уране-238. Имея более сложный состав ядра, уран-235 легче принимает дополнительный нейтрон и проще вступает с ним в реакцию.

Наличие урана-235 в земной коре навело ученых на гипотезу о том, что миллиарды лет назад в недрах Земли происходили цепные ядерные реакции. В 1972 году французский физик Фрэнсис Перрен даже определил место, где это могло быть: урановое месторождение Окло в Центральной Африке в государстве Габон. Исследуя изотопный состав элементов в рудах, Перрен нашел 16 рудных тел — образований из уранита, в которых было аномально превышено содержание урана, оно составляло от 20% до 80%. По гипотезе ученого, именно здесь происходила цепная реакция около 2 млрд лет назад и продолжалась она сотни тысяч лет, пока запас урана-235 не истощился. Считается, что средняя тепловая мощность реактора составляла около 100 кВт. Находки Перрена получили название «Природный ядерный реактор Окло», и до сих пор эта аномальная зона считается единственным естественным ядерным реактором на Земле.