Маргарита Рютова-Кемоклидзе - Квантовый возраст

Итак, 6 января 1939 г. журнал со статьей Гана и Штрассмана вышел в свет. После рождественских каникул Нильс Бор готовился к поездке в Соединенные Штаты. 26 января он уже докладывал на Пятой Вашингтонской конференции по теоретической физике о результатах опыта Гана. Доклад Бора произвел настолько сильное впечатление, что несколько физиков сразу же после доклада, в вечерних костюмах, бросились в свои лаборатории проверить утверждение Бора. А через сутки американские газеты уже сообщали об этих опытах. За день до выступления Бора все с той же поспешностью Ган и Штрассман направили в «Naturwissenschaft» новую статью: «Доказательство образования активных изотопов бария под воздействием нейтронной бомбардировки урана и тория» с подзаголовком: «Дополнительные активные осколки деления урана».

Именно этот подзаголовок и отражал главное содержание статьи, заключающееся в том, что при расщеплении ядра урана на две почти равные части, кроме огромной энергии, освобождаются еще и нейтроны. Вывод напрашивался сам собой: эти освобожденные нейтроны могут сами участвовать в процессе деления и вызвать деление соседних ядер урана, а если число освобожденных нейтронов окажется больше одного, то возможность лавинного процесса, т. е. цепной реакции, казалась очевидной. В апреле Бор и Уиллер и независимо от них Яков Ильич Френкель разработали теорию деления ядер медленными нейтронами и предсказали спонтанное (самопроизвольное) деление ядер. Вскоре строго была обоснована возможность протекания цепной ядерной реакции (Сциллард и Ферми в Америке, Жолио-Кюри во Франции, Зельдович, Харитон, Лейпунский в Советском Союзе и др.). Был измерен энергетический спектр нейтронов деления, были экспериментально открыты запаздывающие нейтроны.

Оказалось, что при делении ядра урана продукты деления избавляются от избыточных нейтронов различными способами. Большая часть нейтронов испускается одновременно с актом деления, это так называемые «мгновенные» нейтроны, но есть еще нейтроны, которые испускаются спустя некоторое время, — это «запаздывающие» нейтроны. Так вот, если бы испускались только мгновенные нейтроны, то управлять цепной реакцией оказалось бы невозможно, а если были бы только запаздывающие нейтроны, то невозможно было бы создать атомную бомбу, зато управлять цепной реакцией можно было бы гораздо проще. Нужно было теперь точно рассчитать долю тех и других нейтронов и в зависимости от результата и цели изыскать возможность либо управления цепной реакцией, либо осуществления взрыва небывалой силы. Упомянутая уже элементарная теория деления ядра, не лишенная недостатков, довольно грубая, хорошо описывала основные принципы и свойства реакции деления и, что очень важно, предсказывала различный характер течения реакции для двух различных изотопов урана — урана-238 и урана-235. Первый изотоп самый распространенный. В природном уране его 99,3 %, тогда как уран-235 составляет всего 0,7 % природного урана. Именно в различном характере деления ядер этих двух изотопов лежит и трудность, и ключ решения проблемы управляемой цепной реакции, равно как и проблемы взрыва.

Дело в том, что ядра урана-238 делятся на два осколка только под действием нейтронов, обладающих энергией больше некоторой пороговой величины. Нейтроны меньших энергий охотно поглощаются этими ядрами, в результате чего ядра урана превращаются в ядра трансурановых элементов.

Что же касается урана-235, то здесь теория предсказывала, что ядра урана-235 делятся под действием нейтронов любых энергий. Более того, оказалось, что вероятность поглощения медленных нейтронов ядром урана-235 в 250 раз больше вероятности их захвата ядром урана-238. Словом, для получения самоподдерживающейся цепной реакции оказалось необходимым, во-первых, замедлить нейтроны распада и, во-вторых, увеличить содержание урана-235.

Вторая задача, получение урана-235, оказалась чрезвычайно трудной. Нелегко было выбрать и замедлитель, нелегко было решить вопрос, как смешать замедлитель с ураном. Сейчас, когда работают атомные электростанции и научно-исследовательские реакторы самых различных видов и калибров и имеется не только атомная бомба, все кажется простым и объяснись принцип их работы легко. Но для практического осуществления первой цепной реакции и изготовления первой атомной бомбы потребовался весь арсенал знаний, накопленных к тому времени, потребовалась мобилизация огромных сил, научных, технических, финансовых. И это удалось.

Первая управляемая цепная реакция была осуществлена 2 декабря 1942 г. под руководством Энрико Ферми на уран-графитовом котле. Котел имел форму эллипсоида вращения с полярным радиусом 309 см и экваториальным радиусом 388 см. «При обсуждении вопроса о выборе замедлителя в нашей группе, — писал Энрико Ферми, — мы пришли к выводу, что наиболее перспективен графит, главным образом потому, что его можно было легко получить». Вот так, казалось бы, просто. Мы увидим дальше, что выбор замедлителя станет одной из непреодолимых преград на пути немецкого уранового проекта. И дальше: «Возведение котла заняло несколько более месяца… Значительно раньше того, как сооружение достигло первоначально намеченных размеров, измерения плотности нейтронов показали, что вскоре будут достигнуты критические размеры». Приближение к критическим условиям практически означало укладку слой за слоем урана и графита. В эту систему вставлялись дощечки с прибитыми к ним кадмиевыми полосками. Кадмий является сильным поглотителем нейтронов. В процессе сооружения котла эти кадмиевые полоски запирались на висячие замки и отпирались, чтобы удалить кадмий при очередном испытании.

2 декабря 1942 г. реакция была осуществлена. «Чтобы довести эту новую технику до индустриального уровня, — писал Энрико Ферми, — потребовалось еще очень много научных и технических разработок… Примерно через два года после опытного запуска первого котла в Хенфорде заработали первые котлы-заводы». Эти котлы-заводы заработали тогда с единственной целью: получить ядерное горючее для бомбы — плутоний. С этой же единственной целью работало несколько мощных заводов по трем различным методам разделения изотопов урана. Урана-235, который наработали заводы к середине 1945 г., поглощая миллионы долларов, хватило лишь на одну бомбу, на ту, которая решила судьбу Хиросимы. Две другие бомбы были плутониевые.

В 1940 г., бомбардируя уран нейтронами, Мак-Миллан и Абельсон в Беркли синтезировали первый трансурановый элемент нептуний-239. Период полураспада нептуния оказался всего 2,33 дня. В 1941 г. Мак-Миллан и Сиборг синтезировали второй трансурановый элемент — плутоний-239 — фермиевский экаосмий. Эти трансурановые элементы, следующие непосредственно за ураном в таблице Менделеева, были названы именами планет Нептуна и Плутона по аналогии с Солнечной системой. Мак-Миллан и Сиборг с сотрудниками доказали также, что ядро плутония-239 делится медленными нейтронами так же, как уран-235, и так же подвержено спонтанному делению. И если бы период полураспада плутония оказался достаточно большим, чтобы можно было его накопить в том небольшом количестве, которое составляет «критическую массу», то вместо редкого изотопа урана для бомбы можно было бы использовать плутоний. Период полураспада плутония оказался больше 24 400 лет. Более того, в реакторе при длительной его работе накапливался именно плутоний. Так что, если отвлечься от сложной технологии, схема уран-графитовый реактор — получающийся здесь плутоний — плутониевая бомба настолько проста, что она была очевидна для всех ученых, занимающихся ядерной физикой.