uzluga.ru
добавить свой файл
Окно в атомную эру

Прямой путь к овладению атомной энергией указало одно важное открытие, сделанное в 1939 году немецкими физиками О. Ганом и Ф. Штрассманом. Они обнаружили деление ядер урана под действием нейтронов. Не прошло и месяца после того, как эта потрясающая новость достигла всех ведущих физических лабораторий, а на конференции в Вашингтоне ученые уже полушутя-полусерьезно заговорили о высвобождении ядерной энергии (см. врезку о цепной реакции деления ядер). Но прежде надо было ответить на принципиальный вопрос: сколько в каждом акте деления получается новых нейтронов? Достаточно ли их для цепной реакции? Начались кропотливые эксперименты, и в итоге догадки подтвердились: было обнаружено, что при делении одного ядра урана высвобождается в среднем несколько нейтронов – что-то порядка одного, двух или трех. Итак, предпосылки для цепной реакции были найдены. Дальше выяснилось, что основной компонент природного урана – уран-238 – в большей степени поглощает нейтроны, чем делится ими. А главный делящийся компонент – уран-235 – составляет всего 0,7% в естественной смеси изотопов. И хотя при делении урана-235 образуется достаточно нейтронов, большинство из них пропадает зря, сталкиваясь с многочисленными ядрами основного изотопа. Как справиться с этой проблемой? Первый очевидный способ – обогащение урановой руды и выделении чистого изотопа урана-235. Но по тем временам разделение изотопов урана в промышленных масштабах было чересчур трудоемким, а проще говоря, почти безнадежным делом. Более того, тогда еще никто точно не знал и не мог сосчитать, сколько килограммов или десятков (а может, и сотен) килограммов этого продукта понадобится для запуска цепной реакции.

Второй путь предполагал использование естественной смеси изотопов урана и опирался на результаты опытов, которые свидетельствовали, что более медленно летящие (так называемые тепловые) нейтроны гораздо эффективнее делят ядра урана-235 и гораздо меньше поглощаются ядрами урана-238. Следовательно, замедлив нейтроны, можно уменьшить паразитное поглощение и увеличить вероятность деления. Замедлители тоже были известны: легкие вещества типа воды, углерода или бериллия.

Первый атомный «котел»

Поскольку нейтроны – основные участники цепной реакции, не удивительно, что эксперименты по сооружению первого атомного «котла» возглавил главный по тем временам специалист по нейтронам и лауреат Нобелевской премии Энрико Ферми, который эмигрировал из фашистской Италии и работал в Колумбийском университете. Здесь в 1941 году и начали строить пробную установку. В качестве замедлителя выбрали простой и доступный в больших количествах материал – углерод в форме графита. Как вспоминал Ферми, физики, покрытые черной пылью графита и окиси урана, перетаскивали многокилограммовые блоки, и, сжалившись над ними, декан позволил нанять для этой работы студентов-футболистов. Дело пошло веселее – они гораздо легче справлялись с упаковками уранового порошка весом по 20–40 кг. Но когда решетчатая конструкция из банок с окисью урана и примерно 30 т графита была наконец готова, результаты измерений обескуражили – нейтронов было недостаточно для цепной реакции. Подвело качество материалов. Там, где каждый нейтрон на счету, любая примесь, поглощающая нейтроны, сводит все усилия на нет.

В 1942 году команда физиков под руководством Ферми переехала в Чикаго, в Металлургическую лабораторию, где были сконцентрированы все основные научные силы по исследованию цепной реакции. Эксперименты продолжились. Промышленность под давлением военных постепенно повышала качество поставляемого графита и обогащенного урана, и в конце концов, судя по экспериментальным данным, оно стало достаточным для осуществления цепной реакции.

Поскольку к октябрю 1942 года участок, купленный для лаборатории в Аргоннском лесу, был еще совершенно не готов, возводить «котел» решили прямо в центре большого города – на кортах для игры в сквош в спортгородке Чикагского университета. Работали круглосуточно, в две смены, укладывая слои графита и урановых блоков, причем самое качественное топливо – как можно ближе к центру. После укладки каждого слоя проводились измерения, Ферми делал расчеты и давал указания по поводу следующего слоя. Меньше чем за месяц собрали конструкцию в форме эллипсоида размером примерно 3х4 метра из 385 тонн графита и 46 тонн урана. В ней были сделаны щели для деревянных стержней, обитых кадмиевой жестью (кадмий сильно поглощает нейтроны и может остановить цепную реакцию). Стержни вынимали только на время измерений, а затем вводили в котел и запирали на висячий замок, ключи от которого были только у начальников смен.

Решающий момент наступил 2 декабря 1942 года. По расчетам было набрано достаточно слоев для начала самоподдерживающейся цепной реакции. На испытании присутствовало около 40 человек. Это были главным образом физики, собиравшие установку. На всякий случай в конструкции предусмотрели аварийные стержни – достаточно было просто перерезать веревку, и они падали в котел, а несколько добровольцев стояли наверху с ведрами раствора кадмиевой соли, готовые при необходимости вылить его внутрь сооружения. Удалили все кадмиевые полосы, кроме одной, а затем начали постепенно выдвигать и ее. После каждого шага измеряли количество нейтронов, и Ферми делал расчет на логарифмической линейке. В 2 часа 20 минут дня, когда вынули 2,5 метра полосы, интенсивность начала расти все быстрее и быстрее, пока не стало ясно, что она может сделаться бесконечно большой. Тогда кадмиевые стержни вернули на место. Первое испытание продолжалось 28 минут, котел удерживали при мощности не более полуватта, чтобы свести к минимуму радиоактивное облучение, ведь никакой защиты предусмотрено не было. После остановки котла распили бутылку кьянти, а успешный исход испытаний скромно отметили у Ферми дома (хотя жена его так и осталась в неведении о причинах торжества). А на спортивных кортах университета, там, где человеку впервые удалось осуществить управляемую цепную реакцию, теперь стоит бронзовый монумент.