Тим Скоренко - Изобретено в СССР

В течение последующих лет множество физиков экспериментировали с бомбардировкой ядер различных элементов субатомными частицами, в том числе недавно открытыми нейтронами. А в 1938 году группа учёных – Отто Ган, Фриц Штрассман и Лиза Мейтнер при участии племянника последней Отто Роберта Фриша – проводила эксперименты по бомбардировке нейтронами ядер урана. Предполагалось, что таким образом можно получить трансурановые элементы, то есть элементы с атомными номерами выше 92 (учёные думали, что уран просто поглотит новые нейтроны). Нептуний, элемент № 93, в итоге синтезировали в 1940 году именно таким методом, правда по более сложной технологии. Но до того об открытии 93-го элемента заявляли и Энрико Ферми (аусоний, 1934), и чех Одолен Коблич (богемий, 1934), и румын Хория Холубей (секваний, 1938). До 1944 года уран относился к VI группе и стоял в Периодической таблице под вольфрамом, а трансураны должны были, соответственно, занять места в следующих группах – под рением, осмием, иридием и платиной, то есть в столбцах Периодической таблицы Менделеева с седьмого по десятый. Однако после открытия и изучения химических свойств следующих за ними америция (№ 95) и кюрия (№ 96) стало понятно, что и известные в то время трансураны, и уран, и три элемента до него относятся к одному семейству, которое назвали актиноидами и выделили в отдельную строку таблицы.

Группа Отто Гана действительно получала в результате экспериментов новые вещества, но не элементы, а изотопы урана, в частности короткоживущий уран-239 (плюс один нейтрон к исходному изотопу). Чтобы не запутаться: природный уран примерно на 99,3 % состоит из изотопа уран-238; число обозначает атомный вес, который, в свою очередь, складывается из 92 протонов и 146 нейтронов. Например, уран-235, которого в природном уране всего 0,7 %, имеет на три нейтрона меньше.

Так вот, 17 декабря 1938 года Ган и Штрассман (Мейтнер, будучи еврейкой, в начале того года бежала в Нидерланды) в одном из опытов добились удивительного результата: ядра урана под воздействием бомбардировки нейтронами делились на ядра более лёгких элементов с выделением энергии. Так была открыта реакция вынужденного деления тяжёлых ядер с помощью нейтронов (протоны и альфа-частицы на уран такого воздействия не оказывали).

Реакция вынужденного деления направила ядерную физику по двум дорожкам. С одной стороны, чудовищная энергия, выделяющаяся при делении ядер урана, могла быть использована в мирных целях, а с другой – в целях разрушения. Я не стану подробно рассказывать историю ядерной бомбы – частично она будет затронута в разделе об оружии, к тому же про неё написано немало книг, а к советскому изобретательству она не имеет прямого отношения. Мирное же направление, то есть строительство ядерных источников энергии, нас очень даже интересует.

В 1938 году в Нью-Йорк одновременно прибыли два крупнейших физика-эмигранта – итальянец Энрико Ферми и венгр Лео Силард. Силард уже высказывал мысль о возможности цепной ядерной реакции, а Ферми после открытия Гана и Штрассмана в январе 1939 года предположил, что при делении ядро урана может испускать быстрые нейтроны и если их число будет больше числа поглощённых, то такая реакция станет цепной – нарастающей.

Под руководством Ферми в том же январе 1939 года начались первые эксперименты с целью вызвать цепную ядерную реакцию. Лаборатория располагалась на седьмом этаже Пупин-холла, небоскрёба на Манхэттене, построенного в 1927 году специально для отдела физики Колумбийского университета. Эксперименты показали, что цепная реакция возможна, но для её проведения нужны совершенно новые условия. Помимо того, Ферми и Силард считали, что для создания в будущем ядерного оружия понадобится огромное количество делящихся материалов, которое невозможно получить одиночными реакциями бомбардировки. В природном уране, как было сказано выше, всего 0,7 % урана-235, и для его извлечения требуется сложный и дорогой процесс обогащения. А плутоний-239, который в природе вообще не встречается, можно получать с помощью очень интенсивной бомбардировки урана-238 нейтронами, причём только в ядерном реакторе. Так что осуществление цепной реакции в промышленных масштабах имело и «производственный» смысл.

Кстати, почему нужен именно уран-235, а не уран-238? Дело в том, что уран-235, как и другие нечётные изотопы урана (то есть имеющие нечётное количество нейтронов в ядре), хорошо делится при попадании в них нейтронов любых энергий [1] Здесь необходимо сказать несколько слов о быстрых и медленных нейтронах. Существует градация нейтронов по их энергии и скорости, каждая разновидность имеет своё название. В первом приближении нейтроны с энергией свыше 0,1 МэВ нередко называют быстрыми, а с более низкой – медленными. На деле градация гораздо более тонкая: быстрые нейтроны имеют энергию от 1 до 20 МэВ, а медленные – от 1 до 10 эВ. Остальные «зоны» занимают другие типы нейтронов – холодные (до 0,025 эВ), тепловые (0,025 эВ), эпитермальные (0,025–0,4 эВ) и т. д. вплоть до релятивистских с энергией более 10 10 эВ. . Наиболее эффективно процесс деления идёт при использовании тепловых нейтронов – очень медленных, с крайне низкой, около 0,025 эВ, энергией. Поглотив тепловой нейтрон, ядро урана-235 разваливается на осколки и, в свою очередь, испускает несколько (в среднем около 2,4) нейтронов. Именно такой уран использовался в атомной бомбе «Малыш», сброшенной на Хиросиму. Для Нагасаки применялась другая, плутониевая бомба – всё сказанное выше справедливо и для нечётного изотопа плутония, плутония-239. А вот уран-238 – это «чётно-чётный» изотоп (с чётным количеством нейтронов и протонов в ядре), и он делится только быстрыми нейтронами с энергией выше 1 МэВ. Этот процесс по эффективности сильно уступает делению урана-235 под действием тепловых нейтронов, а более медленные нейтроны уран-238 просто поглощает, превращаясь после цепочки реакций в плутоний-239.

Тот факт, что для деления ядер урана-235 лучше всего использовать тепловые нейтроны, поскольку они легко захватываются ядром посредством сильного взаимодействия, Ферми обнаружил, ещё работая в Риме. Он создал концепцию замедлителя – специального вещества для снижения скорости быстрых нейтронов. Принцип его действия относительно прост: нейтроны теряют энергию за счёт многочисленных соударений с ядрами замедлителя и становятся из быстрых тепловыми.

Цепная реакция в представлении Ферми (крайне упрощённом) выглядела так: медленный (тепловой) нейтрон поглощается ядром урана, делит его с образованием нескольких быстрых нейтронов, они замедляются, поглощаются следующими ядрами и т. д. Соответственно, для мощной цепной реакции нужен был эффективный замедлитель, причём в большом количестве, удовлетворяющий множеству требований. Таким замедлителем стал сверхчистый графит.