100 великих изобретений - Константин Рыжов

Ну а если представить себе достаточно массивный кусок урана, целиком состоящий из изотопа-235? Здесь процесс пойдет по-другому: нейтроны, выделившиеся при делении нескольких ядер, в свою очередь, попадая в соседние ядра, вызывают их деление. В результате выделяется новая порция нейтронов, которая расщепляет следующие ядра. При благоприятных условиях эта реакция протекает лавинообразно и носит название цепной реакции. Для ее начала может быть достаточно считанного количества бомбардирующих частиц. Действительно, пусть уран-235 бомбардируют всего 100 нейтронов. Они разделят 100 ядер урана. При этом выделится 250 новых нейтронов второго поколения (в среднем 2, 5 за одно деление). Нейтроны второго поколения произведут уже 250 делений, при котором выделится 625 нейтронов. В следующем поколении оно станет равным 1562, затем 3906, далее 9670 и т.д. Число делений будет увеличиваться безгранично, если процесс не остановить.

Однако реально лишь незначительная часть нейтронов попадает в ядра атомов. Остальные, стремительно промчавшись между ними, уносятся в окружающее пространство. Самоподдерживающаяся цепная реакция может возникнуть только в достаточно большом массиве урана-235, обладающим, как говорят, критической массой. (Эта масса при нормальных условиях равна 50 кг.) Важно отметить, что деление каждого ядра сопровождается выделением огромного количества энергии, которая оказывается примерно в 300 миллионов раз больше энергии, затраченной на расщепление! (Подсчитано, что при полном делении 1 кг урана-235 выделяется столько же тепла, сколько при сжигании 3 тыс. тонн угля.) Этот колоссальный выплеск энергии, освобождающейся в считанные мгновения, проявляет себя как взрыв чудовищной силы и лежит в основе действия ядерного оружия. Но для того чтобы это оружие стало реальностью, необходимо, чтобы заряд состоял не из природного урана, а из редкого изотопа — 235 (такой уран называют обогащенным). Позже было установлено, что чистый плутоний также является делящимся материалом и может быть использован в атомном заряде вместо урана-235.

Все эти важные открытия были сделаны накануне Второй мировой войны. Вскоре в Германии и в других странах начались секретные работы по созданию атомной бомбы. В США этой проблемой занялись в 1941 году. Всему комплексу работ было присвоено наименование «Манхэттенского проекта». Административное руководство проектом осуществлял генерал Гровс, а научное — профессор Калифорнийского университета Роберт Оппенгеймер. Оба хорошо понимали огромную сложность стоящей перед ними задачи. Поэтому первой заботой Оппенгеймера стало комплектование высокоинтеллектуального научного коллектива. В США тогда было много физиков, эмигрировавших из фашистской Германии. Нелегко было привлечь их к созданию оружия, направленного против их прежней родины. Оппенгеймер лично говорил с каждым, пуская в ход всю силу своего обаяния. Вскоре ему удалось собрать небольшую группу теоретиков, которых он шутливо называл «светилами». И в самом деле, в нее входили крупнейшие специалисты того времени в области физики и химии. (Среди них 13 лауреатов Нобелевской премии, в том числе Бор, Ферми, Франк, Чедвик, Лоуренс.) Кроме них, было много других специалистов самого разного профиля. Правительство США не скупилось на расходы, и работы с самого начала приняли грандиозный размах. В 1942 году была основана крупнейшая в мире исследовательская лаборатория в Лос-Аламосе. Население этого научного города вскоре достигло 9 тысяч человек. По составу ученых, размаху научных экспериментов, числу привлекаемых к работе специалистов и рабочих Лос-Аламосская лаборатория не имела себе равных в мировой истории. «Манхэттенский проект» имел свою полицию, контрразведку, систему связи, склады, поселки, заводы, лаборатории, свой колоссальный бюджет.

Главная цель проекта состояла в получении достаточного количества делящегося материала, из которого можно было бы создать несколько атомных бомб. Кроме урана-235 зарядом для бомбы, как уже говорилось, мог служить искусственный элемент плутоний-239, то есть бомба могла быть как урановой, так и плутониевой. Гровс и Оппенгеймер согласились, что работы должны вестись одновременно по двум направлениям, поскольку невозможно наперед решить, какое из них окажется более перспективным. Оба способа принципиально отличались друг от друга: накопление урана-235 должно было осуществляться путем его отделения от основной массы природного урана, а плутоний мог быть получен только в результате управляемой ядерной реакции при облучении нейтронами урана-238. И тот и другой путь представлялся необычайно трудным и не сулил легких решений. В самом деле, как можно отделить друг от друга два изотопа, которые лишь незначительно отличаются своим весом и химически ведут себя совершенно одинаково? Ни наука, ни техника никогда еще не сталкивались с такой проблемой. Производство плутония тоже поначалу казалось очень проблематичным. До этого весь опыт ядерных превращений сводился к нескольким лабораторным экспериментам. Теперь же предстояло в промышленном масштабе освоить производство килограммов плутония, разработать и создать для этого специальную установку — ядерный реактор, и научиться управлять течением ядерной реакции. И там и здесь предстояло разрешить целый комплекс сложных задач. Поэтому «Манхэттенский проект» состоял из нескольких подпроектов, во главе которых стояли видные ученые. Сам Оппенгеймер был главой Лос-Аламосской научной лаборатории. Лоуренс заведовал Радиационной лабораторией Калифорнийского университета. Ферми вел в Чикагском университете исследования по созданию ядерного реактора.

Поначалу важнейшей проблемой было получение урана. До войны этот металл фактически не имел применения. Теперь, когда он потребовался сразу в огромных количествах, оказалось, что не существует промышленного способа его производства. Компания «Вестингауз» взялась за его разработку и быстро добилась успеха. После очистки урановой смолы (в таком виде уран встречается в природе) и получения окиси урана, ее превращали в тетрафторид (UF4), из которого путем электролиза выделялся металлический уран. Если в конце 1941 года в распоряжении американских ученых было всего несколько граммов металлического урана, то уже в ноябре 1942 года его промышленное производство на заводах фирмы «Вестингауз» достигло 6000 фунтов в месяц.

Одновременно шла работа над созданием ядерного реактора. Процесс производства плутония фактически сводился к облучению урановых стержней нейтронами, в результате чего часть урана-238 должна была обратиться в плутоний. Источниками нейтронов при этом могли быть делящиеся атомы урана-235, рассеянные в достаточном количестве среди атомов урана-238. Но для того чтобы поддерживать постоянное воспроизводство нейтронов, должна была начаться цепная реакция деления атомов урана-235. Между тем, как уже говорилось, на каждый атом урана-235 приходилось 140 атомов урана-238. Ясно, что у разлетающихся во все стороны нейтронов было гораздо больше вероятности встретить на своем пути именно их. То есть, огромное число выделившихся нейтронов оказывалось без всякой пользы поглощенным основным изотопом. Очевидно, что при таких условиях цепная реакция идти не могла. Как же быть? Сначала представлялось, что без разделения двух изотопов работа реактора вообще невозможна, но вскоре было установлено одно важное обстоятельство: оказалось, что уран-235 и уран-238 восприимчивы к нейтронам разных энергий. Расщепить ядро атома урана-235 можно нейтроном сравнительно небольшой энергии, имеющим скорость около 22 м/с. Такие медленные нейтроны не захватываются ядрами урана-238 — для этого те должны иметь скорость порядка сотен тысяч метров в секунду. Другими словами уран-238 бессилен помешать началу и ходу цепной реакции в уране-235, вызванной нейтронами, замедленными до крайне малых скоростей — не более 22 м/с. Это явление было открыто итальянским физиком Ферми, который с 1938 года жил в США и руководил здесь работами по созданию первого реактора. В качестве замедлителя нейтронов Ферми решил применить графит. По его расчетам, вылетевшие из урана-235 нейтроны, пройдя через слой графита в 40 см, должны были снизить свою скорость до 22 м/с и начать самоподдерживающуюся цепную реакцию в уране-235. Другим замедлителем могла служить так называемая «тяжелая» вода. Поскольку атомы водорода, входящие в нее, по размерам и массе очень близки к нейтронам, они могли лучше всего замедлять их. (С быстрыми нейтронами происходит примерно то же, что с шарами: если маленький шар ударяется о большой, он откатывается назад, почти не теряя скорости, при встрече же с маленьким шаром он передает ему значительную часть своей энергии — точно так же нейтрон при упругом столкновении отскакивает от тяжелого ядра лишь незначительно замедляясь, а при столкновении с ядрами атомов водорода очень быстро теряет всю свою энергию.) Однако обычная вода не подходит для замедления, так как ее водород имеет тенденцию поглощать нейтроны. Вот почему для этой цели следует использовать дейтерий, входящий в состав «тяжелой» воды.