Юрий Корякин - Биография атома

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.

«Я ни капли не горжусь проделанной нами работой... Единственный смысл ее состоит в том, чтобы заставить человечество быть миролюбивым. Теперь невозможно представить себе что-нибудь другое, кроме мира. Но, к несчастью, всегда находится некто, кто не раздумывает...»