Как же он работает?
1942 год. 2 декабря
Опыт в бассейне с золотыми рыбками
Прежде чем рассказать о декабрьском событии 1942 г., вернемся на несколько лет назад (1934 г.) в солнечную Италию, в Римский университет.
Помните, мы говорили об опытах группы «мальчуганов», возглавляемых Энрико Ферми? Облучая нейтронами различные элементы, они пытались получить 93-й элемент и получили неожиданный результат.
Немного раньше двое ученых из той же группы, Бруно Понтекорво и Эдуардо Амальди, облучая нейтронами различные материалы и испытывая их радиоактивность, обнаружили большую странность в их поведении. Оказывается, величина приобретенной веществами радиоактивности зависела от того, какие предметы находились рядом с облучаемым материалом. Если облучаемый образец находился в свинцовом ящике, то у него наблюдалась радиоактивность гораздо меньшая, чем если он облучался на деревянном столе. Ферми, руководитель «мальчуганов», сразу же обратил на это явление самое серьезное внимание. Тот факт, что чем легче вещество, находящееся рядом с облучаемым образцом, тем сильнее становится радиоактивность, приобретенная образцом, навел его на некоторые размышления. Но ученый предпочитал пока о них не рассказывать. Он только посоветовал своим друзьям поместить облучаемый образец в парафин и посмотреть, что получится.
Так и сделали. Взяли кусок парафина, выдолбили в нем ямку и в нее поместили облучаемый образец—серебряный стаканчик, внутри которого находился источник нейтронов. После облучения проверили радиоактивность серебряного стаканчика. Произошло чудо: парафин в сто раз увеличил радиоактивность стаканчика!
Этот опыт убедил Ферми в правильности его догадки. А рассуждения Ферми были такие. Когда быстрый нейтрон сталкивается с ядром, то поведение нейтрона после столкновения сильно зависит от того, с каким ядром столкнулся нейтрон—легким или тяжелым. Если ядро тяжелое, то нейтрон ударится о него, как о неподвижную стенку, и отскочит почти с той же энергией, которую он имел до столкновения. Подобно тому, как бильярдный шар, ударяясь о бортик бильярда, отскакивает от него с такой же скоростью. Если же ядро легкое, то нейтрон передаст ему часть своей энергии и отскочит от ядра уже с меньшей энергией. Чем легче ядро, тем больше энергии потеряет нейтрон.
Предельный случай, когда ядро имеет массу, равную массе нейтрона. Например, ядра атомов водорода. Ядро водорода содержит единственную частицу — протон. Его масса примерно равна массе нейтрона. Ударившись о такое ядро, нейтрон может совсем потерять свою энергию. Вспомним бильярдные шары. При лобовом столкновении двух одинаковых шаров налетающий шар останавливается, а другой отскакивает со скоростью налетевшего на него шара.
А что происходит, если нейтрон пролетает через вещество с меньшей скоростью? Тогда он с большей вероятностью может быть захвачен каким-либо ядром. Ведь время нахождения нейтрона вблизи ядра при уменьшении скорости увеличивается, и, следовательно, увеличивается время взаимодействия между ними. Значит, чем легче ядра атомов вещества, тем большее количество пролетающих через него нейтронов потеряет энергию и будет захвачено ядрами. И тем больше будет радиоактивность облучаемого вещества.
Поэтому и наблюдались на первый взгляд странные явления в опытах Амальди и Понтекорво. Когда облучаемый образец находился в свинцовом ящике, то нейтроны, ударяясь о ядра атомов свинца, почти не изменяли своей энергии и направления полета. А если образец помещался на деревянный стол, то дерево, содержащее много легких ядер водорода и углерода, сильно замедляло и рассеивало нейтроны. Некоторые из них после нескольких соударений возвращались назад уже сильно замедленными. Они-то и захватывались очень охотно ядрами атомов серебра. Поэтому и увеличивалась его радиоактивность. В парафине еще больше атомов водорода. И, как и ожидал Ферми, радиоактивность серебра, облученного в парафине, увеличилась еще больше.
Но Ферми хотел окончательно убедиться в правильности своей теории, которую он изложил своим друзьям. Для проверки выбрали бассейн с золотыми рыбками, находившийся рядом с лабораторией, в которой они работали. По теории Ферми, вода, содержащая много водорода, должна еще лучше замедлять нейтроны, чем парафин. Опять провели опыт с серебряным стаканчиком. И что же? Радиоактивность серебра стала еще больше. Теперь сомнений не было — поведением нейтронов можно управлять, используя вещества с разным атомным весом. Так было открыто явление замедления нейтронов.
Это открытие «мальчуганов» Ферми было очень важным. Первая цепная реакция, которую осуществил Ферми через восемь лет, в 1942 г., была бы невозможна без явления замедления нейтронов.
Эмигранты
Шли годы. Ферми продолжал свои исследования по искусственной радиоактивности элементов. Руководимая им группа молодых ученых открывала все новые и новые явления, происходящие с веществами, обстреливаемыми нейтронами. И Ферми решил навести порядок в наблюдаемых явлениях искусственной радиоактивности. Облучая последовательно элементы таблицы Менделеева, он классифицировал их по степени радиоактивности. Это была первая систематизация искусственных радиоактивных изотопов.
Наступил 1938 год. Он принес мировую славу Энрико Ферми. Шведская академия наук постановила: «Профессору Энрико Ферми, проживающему в Риме, за идентификацию новых радиоактивных элементов, полученных нейтронной бомбардировкой, и за сделанное в связи с этой работой открытие ядерных реакций под действием медленных нейтронов присуждается Нобелевская премия». Это было признание больших заслуг талантливого итальянца. У Ферми рождались все новые и новые идеи. Хотелось работать, двигаться дальше, в глубь нового, неизведанного.
Но вспомним, какое это было время. По Европе расползалась коричневая чума. Гитлер и Муссолини готовились к войне. Раздувались антисемитизм и человеконенавистничество. Единственным признаком ценности ученых для фашизма были не их заслуги в науке, а принадлежность к «высшей расе», приверженность идеям нацизма.
Фашистское засилье проникло и в тишину лабораторий физического корпуса Римского университета. Ректором университета был назначен псевдоученый, заядлый фашист, мракобес. Начались гонения на прогрессивных ученых. Стало трудно работать. В такой обстановке, конечно, невозможно было с прежним воодушевлением отдаваться научным исследованиям.
И группа «мальчуганов» начала постепенно распадаться. Уехал в Америку Разетти, стал думать об эмиграции в Америку и Ферми. Так было со многими европейскими учеными. Один за другим потянулись они в Америку. Из Германии бежали Лива Мейтнер и великий Эйнштейн, из Дании — Нильс Бор, из Венгрии — Лео Сциллард, Эуген Вигнер, Эдвард Теллер, из Италии — Ферми, Сегре, Понтекорво...
Наступил сентябрь 1935 г. Гитлер напал на Польшу. Началась вторая мировая война. У многих бежавших от ужасов гитлеризма ученых остались дома родные, близкие. Оставлена своя родина, в которой бесчинствовали фашисты. Как помочь ей, как помочь родным и близким? Как помочь уничтожить фашизм?
Блестящая плеяда европейских ученых-физиков, собравшаяся в те годы в Америке, располагала знаниями того, что энергия, скрытая в ядре атома, может стать огромной разрушающей силой. Ведь к тому времени работами Жолио-Кюри, Зельдовича и Харитона, Ферми, Лизы Мейтнер было уже установлено, что можно осуществить цепную реакцию деления ядер урана — ядерный взрыв. Если бы это удалось осуществить, то цепная реакция могла бы стать мощным оружием против гитлеровских полчищ. И Ферми, которого особенно занимала эта мысль, решил действовать.
Но действовать нужно было немедленно. Нельзя было терять ни минуты. Ферми знал, что в Германии остались известные ученые — Ган и Штрассман. Стало также известно, что гитлеровцы заинтересовались работами Гана по урану. Значит, и Германия работает над новым оружием. Итак, нужно спешить.
Историческое письмо
Но для работы нужны деньги. Много денег. Как заинтересовать американское правительство в необходимости проведения работ по атомному оружию? Ведь на эмигрантов-ученых смотрели как на нежелательных иностранцев. И ученые-эмигранты обратились к Эйнштейну. Иного выхода не было. Только ему, ученому с мировым именем, может быть, поверят американские толстосумы.
Мы уже писали о том, после каких мучительных раздумий Эйнштейн согласился подписать письмо Рузвельту. И только горячее убеждение друзей, что бомба будет использована против фашизма, заставило Эйнштейна сделать это.
Письмо начиналось так: «Сэр! Последняя работа Э. Ферми и Л. Сцилларда, с которой я ознакомился в рукописи, позволяет надеяться, что элемент уран в ближайшем будущем может быть превращен в новый важный источник энергии...»
Письмо призывало американское правительство начать финансирование работ по исследованию урана, как источника энергии. В нем предлагался план работ и излагалось состояние проблемы. Рузвельт получил письмо. Серьезность международной обстановки, огромный авторитет Эйнштейна нельзя было игнорировать. «Надо действовать»,— сказал Рузвельт своему помощнику.
Манхеттенский проект
Американские генералы сразу почувствовали, какую «золотую рыбку» они могут поймать, используя знания эмигрантов-физиков. Доллары потекли рекой. Так родился Манхеттенский проект, т. е. огромный комплекс организационных мероприятий, исследовательских и промышленных работ, направленных на создание атомной бомбы. Два миллиарда долларов было израсходовано на эти работы.
Работы велись по двум направлениям. Каждое из этих направлений преследовало цель получить делящийся материал для атомной бомбы. Таких материалов было два — уран-235 и плутоний. Каждое из направлений ставило своей целью получение одного из этих материалов.
Вспомним, что уран-235 жадно поглощает нейтроны, разваливаясь при этом на два осколка и освобождая огромную энергию. Ученые подсчитали, что если бы можно было получить кусок урана, состоящий только из атомов урана-235, то в таком куске была бы возможна цепная реакция взрывного характера. Для этого нужно несколько килограммов такого изотопа. Но ядер урана, содержащих 235 нейтронов и протонов, в 140 раз меньше, чем ядер урана, содержащих 238 нейтронов и протонов. В этом-то и заключалась основная трудность выделения в чистом виде ура- на-235. Химическими способами разделить уран-235 и уран-238 невозможно. Ведь изотопы любого элемента имеют одинаковые химические свойства, присущие данному элементу. Для этого нужны новые способы. В частности, диффузионный метод разделения изотопов. В чем он заключается?
Ядро урана-235 немного, всего лишь на три единицы, легче атомного веса ядра урана-238. Легче — значит, немного подвижнее. И если какое-либо газообразное химическое соединение урана пропускать через пористую перегородку, то молекулы этого газообразного химического соединения будут по-разному себя вести. Молекулы, в состав которых входит легкий изотоп урана, более подвижны, и они быстрее пройдут через перегородку. Тогда на одной стороне перегородки количество ядер легкого изотопа урана в смеси изотопов уже станет не в 140, а, скажем, в 139,5 раза меньше. Другими словами, смесь изотопов урана немного обогатилась ураном-235. Если полученную смесь еще раз пропустить через перегородку, то количество легких ядер станет еще больше. Повторяя этот процесс несколько тысяч раз, можно получить чистый изотоп — уран-235. Остается только выделить такой уран в чистом виде из газообразного химического соединения, и делящийся материал для бомбы готов.
Таков один путь получения делящегося материала. А другой путь? Он заключается в получении делящегося материала — плутония — в результате осуществления замедленной цепной реакции в специальном устройстве, называемом ядерным реактором. Этот путь, выбранный Энрико Ферми, и был вторым направлением работ грандиозного Манхеттенского проекта.
Под трибунами чикагского стадиона
В конце 1941 г. жители Чикаго, проживавшие рядом с футбольным стадионом, могли наблюдать необычное оживление, царившее на территории стадиона. К массивным воротам, ведущим к западным трибунам, один за другим подкатывали грузовики с грузом, тщательно укрытым от постороннего взгляда. Многочисленная охрана,
Первый реактор, построенный Энрико Ферми.
выставленная вокруг стадиона, не разрешала даже приблизиться к его ограде. По всему было видно, что за оградой стадиона ведется какая-то таинственная работа. Об этой работе, проводимой в строжайшей тайне, знали очень немногие. На территории стадиона, под западными трибунами, в помещении теннисного корта Энрико Ферми вместе с группой ученых готовил необычный и опаснейший эксперимент — осуществление первой в мире контролируемой цепной реакции деления ядер урана.
В ящиках, которые привозили грузовики, лежали тщательно упакованные бруски какого-то черного материала. Это был графит, тот самый графит, из которого делают грифели для карандашей. Груда пустых ящиков из-под графита росла, и вместе с ней росло необычайное сооружение на площадке теннисного корта. Это был огромный черный куб с длиной граней несколько метров.
Сооружение из графитовых кирпичей назвали «пайл» (по-русски — «груда», «куча»). Действительно, это была
Сборка графитовой кладки первого реактора, сооруженного Энрико Ферми (1942 г.).
груда, куча сложенных в определенном порядке графитовых кирпичей. В Советском Союзе сооружение такого рода стали называть также «котлом». Слово «котел» хорошо отражает сущность работы этого сооружения. Это действительно котел, в котором «варится» ядерный «суп». В котле в результате сложных ядерных превращений получается новый делящийся элемент — плутоний.
В графитовых кирпичах были высверлены отверстия на строго определенном расстоянии одно от другого, куда помещались бруски урана. Таким образом, графитовый куб был, как батон с изюмом, начинен небольшими брусками урана. И, наконец, еще одна деталь. Сверху вниз через всю графитовую кладку проходило несколько каналов — всего несколько штук. В каналах располагались стержни, сделанные из кадмия.
Вот и все. Не правда ли, простое сооружение для осуществления цепной реакции? Но скольким поколениям ученых пришлось трудиться для того, чтобы своими открытиями подготовить возможность создания вот такого, в сущности, совсем несложного сооружения, которое выросло под трибунами чикагского стадиона к концу 1942 г.
«Итальянский мореплаватель добрался до Нового Света...»
Ученые-эмигранты спешили. В Европе, Африке, Азии бушевала война. Гитлеровские армии рвались к Сталинграду, японские армии оккупировали многие страны восточной Азии. 1942 год был годом наибольших успехов германо-итальянско-японской военщины. Нельзя было терять ни минуты. Работы по сооружению первого в мире ядерного реактора велись день и ночь.
Наконец наступило 2 декабря 1942 г. В ночь на это число ученые под руководством Ферми работали, не отдыхая ни одной минуты. Все устали. Однако, когда подошло время завтрака, никто не решился напомнить об этом: слишком велико было нетерпение увидеть результаты своего напряженного труда.
Но нужна была разрядка. Очень опасен и ответствен эксперимент, который будет произведен днем. И хотя в который раз проверены расчеты, говорившие, что цепная реакция в котле будет замедленной, что она не будет носить взрывного характера, на душе у Энрико Ферми было неспокойно. А вдруг ошибка в расчетах? Тогда случится непоправимое. Стадион расположен в самом центре города. Сотни тысяч людей живут в непосредственной близости к стадиону. Цепная реакция, вышедшая из-под контроля ученых, уничтожит город с многомиллионным населением! Нет, нельзя злоупотреблять энтузиазмом ученых. Нужно дать людям отдохнуть, еще и еще раз все взвесить и обдумать. Осторожность и еще раз осторожность. И Ферми произносит свою знаменитую фразу: «Идемте-ка завтракать!»
Наконец все снова заняли свои места. Ферми, как адмирал, командовал с самого высокого места. Его так и прозвали «адмиралом». Кадмиевые стержни начали медленно, очень медленно извлекать из котла. И все следили за приборами. Вот извлечены уже все стержни, кроме одного. Приборы пока ничего не показывают. Напряжение нарастало. Начали извлечение последнего стержня. Взгляды всех прикованы к приборам. Еще дюйм, еще. И вдруг чуть заметно дрогнула стрелка прибора. Послышалось щелканье счетчиков. Еще немного поднят стержень. Стрелки приборов отклонились сильнее, счетчики нейтронов защелкали часто и быстро. Теперь звук их работы напоминал непрерывную пулеметную очередь. Последний из стержней поднят еще немного. Счетчики нейтронов защелкали, как одержимые. Они словно захлебывались от огромного количества нейтронов, они не успевали их считать! Цепная реакция началась. Счастливые и возбужденные участники этого эксперимента поздравляли друг друга.
Один из помощников Энрико Ферми подходит к телефону и сообщает начальству о результатах заранее условленной фразой: «Итальянский мореплаватель добрался до Нового Света!» Это означало, что Ферми, итальянский эмигрант, бежавший от фашистов, добился своего. Он осуществил первую в мире цепную реакцию деления ядер урана. Это случилось в 15 часов 30 минут 2 декабря 1942 г.
Как же он работает?
Итак, впервые в мире цепная реакция осуществлена. Но предназначалась она не для того, чтобы стать новым, невиданным источником энергии для человечества. Нет, не для этого. Она предназначалась для получения смертоносного плутония для атомной бомбы.
Как происходило образование плутония при цепной реакции? Мы уже знаем, что уран-238 обладает значительно меньшей способностью поглощать медленные нейтроны. Кроме того, при поглощении таких нейтронов он не делится, а через некоторое время превращается в плутоний.
Эти особенности поведения изотопов урана и решил использовать Ферми. В ядерном реакторе, который он создавал, каждый изотоп урана должен был выполнять свою роль. Уран-235 хорошо делится и дает новые нейтроны. Пусть он и будет источником нейтронов для цепной реакции. Уран-238 поглощает нейтроны, которые дает уран-235, и превращается в плутоний. Он и будет сырьем для получения плутония. Нужно только каждому изотопу создать соответствующие условия, чтобы он получше выполнял свою роль. Такие условия и создавались в ядерном реакторе, сооружаемом под трибунами чикагского стадиона.
Освобождающиеся при делении ядер урана-235 нейтроны имеют очень большую энергию. С такой энергией они плохо поглощаются другими ядрами урана-235. Значит, нужно эти нейтроны замедлить. А как замедлить? Вот тут-то и пригодилось открытие, сделанное Ферми восемь лет назад в бассейне с золотыми рыбками. Ведь тогда Ферми обосновал теорию замедления нейтронов на ядрах легких элементов. Одним из таких легких элементов является графит. Ядра атомов графита хорошо замедляют нейтроны. Кроме того, что очень важно, они почти не поглощают замедленные нейтроны. Значит, потерь их почти не будет.
Энрико Ферми у пульта управления реактора
И по мере того как Ферми со своими сотрудниками работал над проектом ядерного реактора, все четче и определеннее вырисовывалась его конструкция. Уран нужно брать в виде небольших цилиндриков, которые следует расположить в массе графита на строго определенном расстоянии один от другого. Это расстояние выбиралось таким образом, чтобы количество графита, находящегося между цилиндриками урана, было достаточно для замедления нейтронов до энергии, при которой происходит интенсивное поглощение нейтронов ядрами урана-235. Эти ядра при делении дадут новые нейтроны, которые опять замедлятся на графите, окружающем кусок урана. Они снова поглотятся ядрами урана-235 и опять дадут новые нейтроны. Так осуществится цепная реакция.
Но часть нейтронов поглощается и ядрами урана-238. Такие ядра будут превращаться в плутоний. После того как в уране накопится достаточно много ядер плутония, уран можно извлечь из реактора и заменить его свежим. Извлеченный из реактора уран отправляется на химическую переработку с целью выделения из него нового делящегося материала—плутония. Плутоний имеет химические свойства, отличные от химических свойств урана, и поэтому отделить его химическими способами от урана не так уж трудно.
Это и был второй путь, который избрал Ферми для получения материала для атомной бомбы.
Вернемся к ядерному реактору. В процессе замедления рождающихся быстрых нейтронов часть их, хотя и небольшая, бесцельно поглощается графитом, часть вылетает за пределы реактора и, следовательно, теряется безвозвратно. Значит, нужно уменьшить эту потерю нейтронов, чтобы как можно больше их поглощалось ядрами атомов урана-235 и урана-238. Для этой цели графитовая кладка реактора с расположенными в ней кусками урана со всех сторон окружалась слоем чистого графита. Благодаря этому слою часть нейтронов, вылетающих из зоны, где происходит цепная реакция (она получила название активной зоны), в результате многократных соударений с ядрами графита отражается обратно в активную зону. Кроме того, размеры реактора брались большими. Ведь чем больше его размеры, тем меньше вероятность того, что нейтроны, родившиеся в его активной зоне, вылетят наружу. Этим самым также уменьшалась потеря нейтронов.
А как регулировать работу реактора? Ведь нарастание количества нейтронов происходит очень быстро, и если не управлять их поведением, то тепла, выделяющегося при делении ядер, будет так много, что уран расплавится. Значит, нужно в реактор ввести стержни из какого-либо материала, поглощающего избыточные нейтроны. В качестве такого материала Ферми взял кадмий. Погружая в реактор стержни из кадмия или извлекая их, можно увеличивать или уменьшать количество нейтронов, принимающих участие в цепной реакции, в реакторе. Если количество рождающихся нейтронов в каждый данный момент времени превышает количество поглощаемых и теряющихся нейтронов, то мощность реактора нарастает, и наоборот. Если же количество рождающихся нейтронов точно равно количеству поглощаемых и теряемых нейтронов, то мощность реактора поддерживается на одном уровне. Такое регулирование числа нейтронов и осуществляется стержнями из хорошо поглощающего нейтроны материала. Их так и называют — регулирующие стержни.
Но как пустить реактор? Где взять первые нейтроны, которые дали бы начало развитию цепной реакции? Этот вопрос разрешался очень просто. Ведь советские ученые Петржак и Флёров установили в 1939 г., что ничтожная доля ядер урана постоянно распадается самопроизвольно, выделяя нейтроны. Этих нейтронов вполне достаточно для начала цепной реакции.
Когда регулирующие стержни погружены в реактор, цепная реакция не может начаться, так как поглощение нейтронов стержнями слишком велико. Но как только начинают извлекать стержни, в какой-то момент число рождающихся нейтронов станет равно числу теряемых и цепная реакция начнется. При дальнейшем извлечении стержней число рождающихся нейтронов будет превышать число теряемых и реактор, как говорят, начнет разгоняться.
Все эти соображения и были положены в основу конструкции реактора Ферми. И они блестяще подтвердились, когда 2 декабря 1942 г. первый в мире реактор начал действовать.
Многими поколениями ученых разных стран была подготовлена эта победа науки. Но эта победа преследовала отнюдь не гуманные цели. Цепная реакция рассматривалась только как источник получения делящегося материала для атомной бомбы.
