Федор Кедров - Цепная реакция идей

Теперь широко известный коэффициент К — коэффициент воспроизводства нейтронов, применяющийся во многих расчетах, в частности в атомной технике, представляет собой величину, очень близкую к 250 вторичным нейтронам на 100 единичных актов деления, т.е. около 2,5 нейтрона на каждый акт деления ядра урана. Эта величина выражает среднее число вторичных нейтронов, испускаемых при делении. Долгое время коэффициент К был одним из строжайше охраняемых военных секретов. Однако в результате широко развернувшихся исследований вторичных нейтронов физики в разных странах, используя в общем сходные опыты, находили эту «секретную» величину.

Предположение, что вторичные нейтроны быстрые, нуждалось в точной экспериментальной проверке. Фредерик Жолио-Кюри с сотрудниками провел очень интересные опыты, подтвердившие эту гипотезу. Радий-бериллиевый источник нейтронов окружали кристаллами урановой соли — уранилнитрата и всю систему помещали в центре большого сосуда с сероуглеродом, в котором предварительно растворяли 200 миллиграммов фосфора. Под влиянием быстрых нейтронов создавался радиоактивный изотоп фосфора, который извлекали через шесть дней и подвергали проверке с помощью счетчика Гейгера — Мюллера. Оказалось, что, когда опыт производили без уранил-нитрата, фосфор, облученный нейтронами радий-бериллиевого источника, оказывался в 6 раз менее активным, чем в опытах с уранилнитратом. Это привело исследователей к выводу, что уранилнитрат способствует образованию в системе дополнительного количества нейтронов, воздействующих на фосфор вместе с нейтронами радий-бериллиевого источника. Отсюда следовало единственно возможное заключение: под действием быстрых нейтронов происходит не только ядерная реакция в фосфоре, но и реакция деления ядер урана с образованием вторичных нейтронов.

Нейтроны, образующиеся при ядерных реакциях в уранилнитрате, при сравнении с нейтронами, излучаемыми радий-бериллиевым источником, оказались совершенно тождественными — и те и другие были быстрыми нейтронами.

Итак, открытие вторичных нейтронов Фредериком Жолио-Кюри по праву считается одним из важнейших явлений в науке, направленным на отыскание путей использования ядерной энергии. Теперь уже стало совершенно ясно, что вторичные свободные нейтроны могут вызвать деление соседних ядер урана и процесс превратится в самоподдерживающийся, лавинообразный. Сможет осуществиться то, о чем говорил Нильс Бор, а именно: «зажигание» в одном месте приведет к лавинообразному «взрыву» миллиарда миллиардов (~10 18) делящихся с колоссальной скоростью ядер урана и при этом выделится громадная энергия в виде тепла. В ядерных реакторах современных атомных электростанций происходит именно этот процесс, сделавшийся технически доступным благодаря трудам физиков и радиохимиков, среди которых видное место принадлежит Фредерику и Ирен Жолио-Кюри.

Профессор Отто Ган в своем Нобелевском докладе в 1944 году особо подчеркнул роль Ф. Жолио-Кюри в открытии вторичных нейтронов: «Господин Штрассман и я отмечали (в нашем сообщении от 10 февраля 1939 года) возможность того, что в процессе деления также освобождаются нейтроны. Фредерик Жолио был первым, кто нашел, что это действительно имеет место».

Лизе Мейтнер и Отто Фриш решили немедленно сообщить о новом типе ядерной реакции (делении) Нильсу Бору. Но в январе 1939 года Бор отбыл из Дании в США. По прибытии из Европы в Нью-Йорк он нашел полученную на его имя пространную телеграмму, отправление которой из Копенгагена обошлось в 400 долларов. Бор рассказал об открытии процесса деления ядер урана американским физикам, в числе которых было много эмигрантов из Европы, бежавших от фашистского режима Гитлера и Муссолини. Сам Бор очень заинтересовался сообщением своих копенгагенских коллег Л. Мейтнер и О. Фриша и сразу стал изучать процесс нового типа — деление ядра, облучаемого нейтронами, на два осколка, сопровождающееся испусканием нейтронов.

Нильс Бор, в то время профессор Колумбийского университета, первый правильно оценил значение процесса деления ядер урана, обнаруженного Ирен Жолио-Кюри, Ферми, Ганом, Штрассманом, Мейтнер и Фришем. Он увидел в нем важнейший шаг к овладению атомной энергией. Ферми, поселившийся в США после получения им Нобелевской премии, задался целью выяснить, какой изотоп урана обладает способностью делиться под влиянием нейтронов — более распространенный изотоп уран-238, составляющий 99,27 процента всей массы природного урана, или редкий изотоп уран-235, содержащийся в массе природного урана всего в количестве 0,72 процента.

Нильс Бор высказал предположение, что способностью делиться обладает именно уран-235. Ученый исходил из теоретических соображений, согласно которым ядро урана-235 может делиться на два приблизительно равных осколка, в то время как ядро урана-238 обычно поглощает нейтрон и деления не происходит.

Когда физики убедились в правильности этого заключения Бора, возможность использовать ядерную энергию, которая, казалось, приблизилась вплотную после открытия вторичных нейтронов, снова отдалилась, и некоторые ученые даже выразили полное неверие в то, что эту проблему можно решить. Но теперь уже камнем преткновения были не принципиальные соображения, а технический ... На первых порах представлялось невероятным отделить от массы урана редкий изотоп в количестве, достаточном для технического использования. Несмотря на такую сложную «психологическую» ситуацию, экспериментальные исследования продолжались все нарастающими темпами, трудности преодолевались одна за другой и в конце концов проблема использования атомной энергии была блестяще решена. Разумеется, перед физиками стояли многие задачи — не только разработка техники разделения изотопов урана, но и другие не менее сложные, потребовавшие долгой и упорной работы.

Итак, в 1939 году, т.е. к началу второй мировой войны, положение в области ядерной физики казалось двойственным. С одной стороны, было сделано самое главное для решения основной проблемы — использования внутриядерной энергии: открыт важнейший процесс цепного деления атомов урана-235; с другой — трудности разделения изотопов отодвигали решение задачи на неопределенный срок.

В этот период крайне важной оказалась роль физиков-теоретиков. Помимо работ Нильса Бора, в печати появились основополагающие статьи по теории деления ядра советских физиков Я.И. Френкеля, Ю.Б. Харитона, Я.Б. Зельдовича и других. В научных журналах различных стран были также опубликованы работы, авторы которых пытались определить условия для развития самоподдерживающейся (лавинообразной, как говорил Бор) ядерной реакции.