ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

ЗАПАЗДЫВАЮЩИЕ НЕЙТРОНЫ

6.23. Мы не будем упоминать множества различных вспомогательных экспериментов, выполненных за этот период. Однако, один такой эксперимент изучение запаздывания нейтронов мы рассмотрим, так как он представляет собою хороший пример тех экспериментов, какие приходилось выполнять, и так как в этом случае речь идет об эффекте, до сих пор не упоминавшемся, но чрезвычайно важном для управления котлом, в котором идет цепная реакция.

6.24. Из прежних исследований, из которых некоторые уже были опубликованы, известно, что около 1 % нейтронов, испускаемых в процессе деления, выбрасывается не немедленно, а испускается в течение некоторого периода времени явление, напоминающее ?-излучение радиоактивных веществ с малым периодом полураспада. В опытах наблюдалось несколько периодов полураспада, самый продолжительный из которых имел порядок 1 минуты.

6.25. Уже сначала было ясно, что это время запаздывания приводит к своего рода инерции цепной реакции, позволяющей значительно облегчить управление. Если эффективный коэффициент размножения в котле несколько превысит значение 1, то плотность нейтронов не возрастет до опасных значений почти мгновенно, а будет нарастать постепенно, так что будет возможность ввести в действие управляющие устройства. (Другие интервалы времени, которые имеются в этом процессе, например, промежутки времени между соударениями, слишком малы, чтобы можно было ими воспользоваться).

6.26. Вследствие важности явления запаздывания нейтронов для управления было решено повторить и улучшить прежние измерения. (Тот факт, что это было скорее повторение, а не новые измерения, также типичен для значительной части работ по физике в этот период). Описание этого опыта приведено в Приложении 3. Результаты эксперимента показали, что 1 % нейтронов, испускаемых при делении урана, запаздывает по меньшей мере на 0,01 секунды и что около 0,7 % запаздывают даже на целую минуту. Проектируя котел так, чтобы эффективное значение коэффициента размножения k было равно только 1,01, можно получить достаточное число запаздывающих нейтронов, чтобы добиться легкого управления.

ПЕРВЫЙ КОТЕЛ С САМОРАЗВИВАЮЩЕЙСЯ ЦЕПНОЙ РЕАКЦИЕЙ

6.27. К осени 1942 года в Чикаго можно было получить достаточно графита, окиси урана и металлического урана для того, чтобы сделать попытку построить настоящий котел с саморазвивающейся цепной реакцией. Однако, количество имевшегося в распоряжении металлического урана было мало только около 6 тонн, да и другие материалы также имелись не в изобилии и были различного качества. Именно эти условия, больше, чем оптимальная эффективность, определяли проектирование.

6.28. Котел был построен с графитом в качестве замедлителя и блоками металлического урана или окиси в качестве реагирующих элементов, правильно расположенными в графите в виде решетки. Приборы, расположенные в различных точках котла или вблизи его, указывали интенсивность нейтронов, а передвижные стержни из поглощающего вещества служили для управления (более полное описание котла дано в Приложении 4). Так как в котле неизбежно существуют нейтроны спонтанного деления или других источников, было ясно, что реакция начнется тотчас же, как только конструкция достигнет критических размеров, если управляющие стержни не будут поставлены в положение «задержки». Вследствие этого, управляющие стержни ставились в соответствующее положение «задержки» с самого начала, и интенсивность нейтронов часто измерялась. Это оказалось счастливым обстоятельством, так как обнаружилось, что подход к критическому состоянию происходит на более ранней стадии сборки, чем это предполагалось заранее.

6.29. Впервые котел начал действовать 2 декабря 1942 г. Насколько нам известно, это был первый случай, когда человеку удалось создать самоподдерживающуюся ядерную цепную реакцию. Первоначально котел действовал при мощности в 1/2 W, но 12 декабря мощность была повышена до 200 W.

ЭНЕРГИЯ, ВЫДЕЛЯЮЩАЯСЯ В КОТЛЕ

6.30. При этих экспериментах прямых измерений выделяющейся энергии не производилось. Число нейтронов, испускаемых котлом в секунду, выражалось через активность стандартных листочков индия. По известному числу нейтронов, освобождаемых на каждое деление, вычислялось количество выделяющейся энергии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

6.31. Эксперимент, осуществленный 2 декабря как раз тогда, когда Обзорный комитет оценивал Чикагский проект, давал не оставляющий и тени сомнения ответ на первый вопрос, стоявший перед Металлургической лабораторией: самоподдерживающаяся ядерная цепная реакция была получена в установке, применяющей нормальный уран. Эксперимент был выполнен под общим руководством Э. Ферми с помощью, главным образом, групп, возглавляемых У. Г. Цинном и Г. Л. Андерсоном. На обязанности В. К. Вильсона и его группы лежала в основном разработка приборов и органов управления; многие другие работники этой лаборатории способствовали успеху всей этой работы.

ЗАВИСИМОСТЬ МЕЖДУ МОЩНОСТЬЮ И ПРОИЗВОДСТВОМ ПЛУТОНИЯ

6.32. Непосредственной целью постройки урано-графитового котла было доказать, что существуют условия, при которых произойдет цепная реакция; конечной же целью лаборатории было производство плутония при помощи цепной реакции. Поэтому интересно найти зависимость между мощностью, при которой котел работает, и количествами производимого им плутония. В первом приближении эту зависимость можно оценить довольно легко. Устойчиво работающий котел должен производить столько же нейтронов, сколько он их теряет. На каждый тепловой нейтрон, поглощенный ураном-235, испускается определенное число ? нейтронов. Для поддержания цепной реакции необходим один из этих нейтронов. Отсюда предполагая, что все остальные нейтроны поглощаются ураном-238 для образования плутония, получим, что на каждое деление будет образовано ?-1 атомов Pu?239.

Каждое деление приближенно освобождает 200 MeV энергии. Поэтому образование ?-1 атомов плутония сопровождается освобождением около 200 MeV. Так как ?-1 малое число, то видно, что для производства в котле одного килограмма плутония в день необходимо, чтобы котел освобождал от 500 000 до 1 500 000 kW энергии. Первый котел, который мы только что описывали, имел мощность 200 W. Считая, что одна бомба потребует от одного до 100 кг плутония, мы приходим к выводу, что описанный котел должен был бы непрерывно действовать по меньшей мере 70 000 лет для того, чтобы произвести одну бомбу. Очевидно, количественная проблема производства плутония еще не была решена.

ХИМИЯ ПЛУТОНИЯ

6.33. Второй специальной задачей Металлургической лаборатории было показать, что если цепная реакция получится, то можно будет отделить плутоний химическим путем от других веществ, вместе с которыми он находится. Успехи в достижении этой цели были меньше, чем в осуществлении цепной реакции. Сначала Металлургическая лаборатория мало занималась химическими вопросами, хотя задача выделения плутония обсуждалась на конференции вскоре после того, как был организован Металлургический проект и была стимулирована работа группы Сиборга по плутонию в Калифорнийском университете. 22–23 апреля 1942 г. состоялась общая конференция по химии в Чикаго, на которой присутствовали: Ф. Г. Спединг, Э. В. Тиле, Дж. Т. Сиборг, Дж. В. Кеннеди, Г. К. Юри, Э. Вигнер, Н. Хнлбери, Дж. Э. Бойд, И. Б. Джонс, Г. А. Вильгельм, И. Перльман, А. К. Валь и Дж. А. Уилер. Открывая собрание, Спединг подчеркнул, что перед химиками стоят две главные задачи: первая выделить плутоний в достаточных количествах и достаточной чистоты, необходимых для военных целей; вторая добиться хорошей разработки тех вопросов химии, которые необходимы для постройки и эксплоатации котла. Проблема выделения плутония должна была изучаться новой группой под руководством Сиборга в Чикаго, Джонсоном и Вильгельмом в Эймсе и Валем и Кеннеди, продолжающими работу в Калифорнии. Другими группами, близко примыкающими к указанным в Чикаго, были: группа К. Д. Корайла, работающая над вопросами химии продуктов деления, и группа Бойда, занятая аналитическими проблемами. С того времени группа химии в Чикаго быстро разрослась. Для размещения ее в конце 1942 года пришлось построить специальное здание, которое впоследствии было расширено. В общем, разрешение многих химических вопросов было одним из наиболее замечательных достижений Металлургической лаборатории.

6.34. Первым открытым и изученным изотопом плутония был не изотоп 239. а изотоп 238, испускающий ?-лучи и имеющий период полураспада около 50 лет. U-238, бомбардируемый дейтронами, дает ₉₃Np²³⁸, который испытывает ?-распад, превращаясь в ₉₄Pu²³⁸ (см. рис. 1 на стр. 18). Первое доказательство действительного существования этих новых элементов (устраняющее первоначальную ошибочную интерпретацию расщепления урана, как доказательства их существования) было получено Э. Макмилленом и П. Г. Абельсоном, которые выделили ₉₃Np²³⁸ из урана, бомбардируемого дейтронами циклотрона в Беркли. Этот новый элемент был отожествлен, как ?-излучатель, но образец был слишком мал, чтобы можно было выделить дочерний продукт ₉₄Pu²³⁸. Позднее было изготовлено достаточное количество Pu?238, что позволило Сиборгу, Кеннеди и Валю начать изучение его химических свойств зимою 1940–1941 г.г., применяя химию радиоактивных индикаторов с носителями, как это обычно практикуется в радиохимии. Такое изучение позволило определить многие химические свойства плутония, и было развито несколько возможных химических процессов, посредством которых Pu?239 может быть выделен из урана. Успехи этих экспериментов с радиоактивными индикаторами привели к решению производить достаточное количество Pu?239, чтобы обрабатывать его, как обычное вещество, в ультра-микрохимическом масштабе. Такие количества были получены продолжительной бомбардировкой нескольких сот фунтов уранил-нитрата нейтронами, полученными с помощью циклотронов, впервые в Беркли и позднее в Университете Вашингтона в Сен-Луи.

К концу 1942 года было получено немного более 500 мкг в виде чистых солей плутония. Хотя это количество меньше, чем необходимо для изготовления головки ударника, оно позволило микрохимикам получить значительные сведения, так как химики считают, что для проведения экспериментов по взвешиванию, титрованию, изучению растворимости и т. д. достаточно одного микрограмма.

6.35. Исходя из положения плутония в периодической таблице, можно было ожидать его сходства с редкими землями или ураном, торием или осмием. С каким из них он более схож, зависит, конечно, от расположения внешних электронов, а это расположение вряд ли могло быть предсказано. В результате оказалось, что плутоний более похож на уран, чем на любой другой из названных элементов, и его даже можно рассматривать, как второй член нового ряда редких земель, начинающегося с урана. Довольно рано было открыто, что имеются, по крайней мере, две степени окисления плутония (теперь известно, что имеются четыре отвечающие положительным валентностям 3, 4, 5 и 6). Успешное изготовление некоторых солей плутония микрохимическим путем и изучение их свойств привели к общему заключению, что плутоний можно отделить химическим путем от других веществ в котле. Это заключение является решением второй неотложной задачи Металлургической лаборатории. Таким образом, к концу 1942 г. плутоний, совершенно неизвестный 18 месяцев ранее, считался элементом, химические свойства которого были так же хорошо изучены, как и свойства ряда давно известных элементов периодической системы.

РАЗЛИЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

6.36. Кроме основных проблем, которые мы отметили, т. е. цепной реакции, химического разделения и проектирования производственной установки, должно было быть разрешено бесчисленное множество второстепенных вопросов. Среди более важных из них были: улучшение счетчиков нейтронов, ионизационных камер и других приборов, изучение коррозии урана и алюминия под действием воды и других возможных охлаждающих веществ, определение влияния температуры на поперечные сечения для нейтронов, изготовление урановых стержней и трубок, изучение продуктов деления и определение биологических эффектов излучений, Как на типичный пример такого рода исследований, можно сослаться на разработку метода производства металлического урана и защитного покрытия для него, выполненную под руководством Э. Кройтца. Без этих второстепенных исследований Проект не смог бы быть выполнен. Чтобы дать дальнейшее представление о размахе работ, в Приложении 5 приведены названия двадцати докладов, выбранных из 400 или около того, составленных в течение 1942 г.

РЕАКЦИЯ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ

6.37. Третьей неотложной задачей Металлургического проекта являлось накопление теоретических и экспериментальных данных по реакции на «быстрых нейтронах», развивающейся в атомной бомбе. Эта работа была первоначально запроектирована и координирована Г. Брейтом (Висконсинский университет) и позже была продолжена И. Р. Оппенгеймером (Калифорнийский университет). Так как окончательная конструкция бомбы должна была быть заключительной частью Проекта, срочность изучения таких реакций была не так велика. Поэтому теоретическим вопросам уделялось мало внимания до лета 1942 г., когда в Чикаго была организована группа под руководством Оппенгеймера.

6.38. Тем временем, экспериментальные работы, начатые по инициативе Г. Брейта, успешно развивались под общим руководством Металлургического проекта в тех институтах, которые имели оборудование, пригодное для изучения быстрых нейтронов (Вашингтонский Институт Карнеги, Национальное Бюро Стандартов, Корнельский университет, Университет Пардью, Чикагский университет, Минезотский университет, Висконсинский университет, Калифорнийский университет, Университет Стэнфорда, Индианский университет и Институт Райса).

Темами исследовательских работ были: поперечные сечения рассеяния, поглощения и деления, спектр энергии нейтронов, освобождающихся при делении, запаздывание при испускании нейтронов при делении. Эти работы большей частью представляли промежуточную ступень, т. е. только проверяли и расширяли предшествующие измерения, и не давали новых окончательных выводов. Этот вид работ позднее был сосредоточен в другом месте (см. гл. XII).

6.39. Как было указано в одном из отчетов (Feasibility Report; раздел, написанный Дж. Г. Мэнни, И. Р. Оппенгеймером, Р. Сербером и Э. Теллером), за год со времени выпуска отчета Национальной Академии картина существенно изменилась только в одном отношении. Теперь теоретические исследования показали, что эффективность атомной бомбы, в части ее разрушительной силы, будет больше, чем указано в отчете Национальной Академии. Однако, ее критические размеры оставались все еще неизвестными. Методы детонации бомбы были исследованы лишь в некоторой степени, но в целом, определенный ответ не был получен.