Физические основы получения атомной энергии | страница 87

В качестве замедлителя нейтронов применяют на практике тяжелую воду, легкий металл — бериллий или, наконец, графит. Замедление является результатом упругих столкновений нейтронов с ядрами атомов замедлителя. Нейтроны и ядра замедлителя ведут себя в этих столкновениях, как упругие биллиардные шары. В случае центрального (лобового) удара движущийся биллиардный шар, столкнувшись с неподвижным шаром, останавливается, то есть замедляется полностью. При косых соударениях, которые чаще имеют место, шары замедляются только частично и после удара не останавливаются, а движутся, но с меньшей скоростью. Таким образом, движущийся биллиардный шар всегда замедляется, то есть всегда теряет часть своей энергии (скорости) при соударениях с неподвижным шаром. Аналогично этому ведут себя и нейтроны. После ряда упругих столкновений с ядрами замедлителя, которые можно считать неподвижными, быстрый нейтрон теряет значительную часть своей энергии (скорости) и становится медленным, скорость его движения сравнивается со скоростью теплового движения частиц окружающей среды.

В механике доказывается, что при упругом соударении двух шаров наибольшая потеря энергии будет в случае, когда массы шаров равны. Этот закон применим и к нейтронам с тем только отличием, что шары не могут поглотить друг друга, а с нейтроном при соударении с ядром такое может случиться. Обыкновенная вода, содержащая водород, ядра которого (протоны) имеют массу, приблизительно равную массе нейтрона, была бы наилучшим замедлителем, если бы не поглощала нейтронов. Всего 18 столкновений с протонами требуется в среднем быстрому нейтрону, чтобы стать медленным. К сожалению, протоны поглощают часть сталкивающихся с ними нейтронов, снижая тем самым коэффициент их размножения и скорость развития цепной реакции.

Практически лучшим замедлителем является тяжелая вода, в состав которой входит тяжелый водород — дейтерий. Ядра дейтерия (дейтроны) в 2 раза тяжелее нейтронов. Поэтому число столкновений с дейтронами, которое должен в среднем испытать быстрый нейтрон, чтобы скорость его уменьшилась до тепловой, составляет в среднем 25, а не 18, как у обычного водорода. Некоторое увеличение числа необходимых столкновений с лихвой компенсируется тем, что дейтроны совсем не поглощают нейтронов.

Несколько хуже по своим замедляющим свойствам бериллий и графит (углерод). Но так как тяжелая вода является сравнительно дорогим продуктом, чаще всего в качестве замедлителя применяют хорошо очищенный графит — значительно более доступный и дешевый материал.