Рисунок реактора во время первого эксперимента (художественная реконструкция по воспоминаниям очевидцев)
Gary Sheehan (Atomic Energy Commission)
Как во благо науки был использован пустующий стадион, из чего сложили «Чикагскую поленницу» и как это привело к бомбардировке Японии, в ежедневной рубрике «История науки» рассказывает Indicator.Ru.
1939 год. Итальянский физик Энрико Ферми прибывает со своей семьей в США. На тот момент это уже состоявшийся ученый: у него за спиной преподавание в нескольких университетах, стажировки у известных физиков, собственные исследования в области ядерной физики, за которые он получил Нобелевскую премию. Италия конца 1930-х годов была не лучшим местом для проживания евреев (в том числе жены Ферми), и он воспользовался вручением премии как шансом эмигрировать и вывезти из Италии свою семью.
Department of Energy. Office of Public Affairs/Wikimedia Commons
В Америке Ферми получил предложения от нескольких университетов и выбрал Колумбийский, где и продолжил свою работу. В конце 1938 года из Старого света пришла новость о том, что два немецких ученых, Отто Ган и Фриц Штрассман, открыли реакцию деления атомного ядра. Американские ученые заинтересовались этими экспериментами и особенно той энергией, которая выделяется в ходе реакции. Уже в январе 1939 года группа ученых, в числе которых был и Ферми, провела первую такую реакцию в США.
Деление ядра атома проводили путем облучения тяжелых элементов нейтронами. Ученые знали, что цепная реакция возможна, если при делении выделяется больше нейтронов, чем поглощается. Такая реакция протекает с выделением большого количества энергии. Вот поиском способа провести самоподдерживающуюся цепную реакцию и занялись Ферми и его коллеги. Через пару лет они смогли перейти от теоретической проработки к экспериментам.
Войны часто двигают прогресс, причем важные открытия совершаются не только в чисто военных областях, но и в смежных с ними. О том, что города будут подвергнуты атомным бомбардировкам еще в 1914 году писал Герберт Уэллс, но это было не более чем предвидение гениального фантаста.
Однако уже в 30-е годы XX века в мире науки начали раздаваться голоса физиков, которые приводили расчеты о возможности создания сверхоружия на основе деления атомов урана или плутония. В Германии над проблемой деления атомов урана работали физики под управлением Вернера Гейзенберга, а в США собралось целое созвездие ученых, бежавших от фашистских режимов многих стран. Среди них такие личности как: итальянец Энрике Ферми, бежавший из Германии Альберт Эйнштейн, из Венгрии бежал Лео Силард, из Дании прибыл Нильс Бор.
С чего все началось..
Чтобы получать не существующий в природе оружейный плутоний требовалось создать управляемую самоподдерживающуюся цепную реакцию. В 1939 году Лео Силард совместно с Энрике Ферми высказал предположение, что возможно получить плутоний, если уран поместить в матрицу с замедлителем нейтронов. При распаде урана из его ядра вылетают свободные нейтроны. Однако их скорость (кинетическая энергия) слишком высока, чтобы вызвать цепную реакцию. Добиться нужного эффекта можно, если быстрые нейтроны замедлить путем столкновения с атомами легких материалов. Идеальным замедлителем оказался графит.
В 1941 году в университете Чикаго была создана лаборатория для изучения свойств урана и методов его обогащения. Из соображений секретности лаборатория получила наименование «Металлургическая», главой ее стал известный американский физик Артур Комптон, должность руководителя экспериментальной группы досталась Энрике Ферми. Специалистам сопутствовал успех, и к ноябрю 1942 года металлического урана было наработано столько, что появилась возможность создать первый на планете атомный реактор.
Системы защиты активной зоны просто не было. Охлаждать реактор в случае раскаленности его ядра планировалось поливанием водой из обычных шлангов. Для регулирования процесса цепной реакции были предусмотрены поглощающие нейтроны стержни, сделанные из бористой стали и кадмия. Для приведения реактора в рабочее состояние имелся стержень, доставаемый вручную. Для аварийной заглушки реактора по его центру был подвешен на веревке еще один стержень, в случае опасности веревку следовало перерубить топором. Никакой защиты от радиации для персонала не предусматривалось.
Первая цепная реакция
1 декабря 1942 года в конце рабочего дня контрольные замеры показали, что размер активной зоны приближается к необходимому для проведения цепной реакции.
Утром 2 декабря вокруг реактора собрались все ведущие физики проекта. В 9 часов 35 минут был извлечен аварийный защитный стержень, в реакторе началась цепная реакция. Коэффициент воспроизведения (отношение количества нейтронов в данном поколении к количеству нейтронов в предыдущем поколении) равнялся всего 1,0006 (у современных реакторов этот коэффициент приближается к 1,01), поэтому мощность реактора нарастала медленно. В среднем мощность удваивалась в течение минуты.
Эксперименты продолжились, и 12 декабря мощность реактора была доведена до вполне осязаемых 200 ватт. На этой мощности «Чикагская поленница» проработала примерно 35 минут, полностью подтвердив все научные выкладки. Возле самого реактора радиация достигла уровня 3 Рентген в час, в дальних концах помещения уровень жесткого излучения составлял 360 мР/ч.
После экспериментов в феврале 1943 года «Чикагскую поленницу» разобрали, большая часть ее элементов отправили в лаборатории города Арагон. Там эти части пошли на сборку нового атомного реактора.
Мирным атомом мы обязаны совершенно не мирным целям. Первые ядерные реакторы были экспериментальными. И создавались они отнюдь не для того, чтобы получать «почти неисчерпаемый» источник энергии для промышленности или включения лампочек в домах. И американский, и советский экспериментальные ядерные реакторы должны были доказать возможность создания высокоэффективного взрывчатого вещества, аналогов которому планета Земля еще не знала. О первом ядерном реакторе, который и положил начало атомной бомбе, мы сегодня рассказываем.
Краткая предыстория
В 1935 году британскому физику Джеймсу Чедвику вручали Нобелевскую премию. Он заработал ее за открытие нейтрона тремя годами ранее. Ученый сумел правильно интерпретировать опыты своих коллег и определить массу нейтронов. На протяжении последующих лет ученые (Ирен Жолио-Кюри, Энрико Ферми) все плотнее подбирались к открытию деления ядра, облучая нейтронами различные атомы.
Этим же в нацистской Германии занимались Отто Ган и Фриц Штрассман. В декабре 1938 года они провели эксперимент, в результате которого пришли к выводу, что ядро урана при бомбардировке нейтронами распадается на более легкие элементы, а не образует более тяжелые. При этом суммарная масса продуктов деления оказывается меньше массы изначального ядра и нейтрона, а недостающая масса превращается в энергию. Правда, к этой мысли Гана подтолкнула коллега Лиза Мейтнер, ранее бежавшая из Германии физик еврейского происхождения. Публиковаться с немецким ученым ей было нельзя, поэтому сперва Отто опубликовал данные по химическому эксперименту, а потом им дала физическое обоснование Мейтнер.
Тут стоит отметить, что Ган был противником фашизма, протестовал против увольнения еврейских коллег из университетов. В конце Второй мировой войны союзники захватили десять немецких ученых, которые предположительно могли иметь отношение к ядерному проекту. Их на полгода закрыли в особняке недалеко от Кембриджа, где активно прослушивали. В числе ученых был и Отто.
Как и многие другие, он был шокирован известием об атомной бомбардировке японских городов. Историк Лоренс Бадаш писал, что новость надломила Гана. Он чувствовал личную ответственность за то, что его открытие унесло жизни тысяч людей. Опасаясь, что Отто может покончить жизнь самоубийством, его коллега постоянно находился рядом с ним. Из переговоров союзники выяснили, что Ганн отношения к ядерной программе нацистской Германии не имел, а сама она находилась на очень раннем этапе.
Возвращаясь на несколько лет назад, надо отметить, что открытие навело шороху в научном сообществе того времени и вызвало целую лавину публикаций и исследований, посвященных делению ядер.
Высказался и Альберт Эйнштейн. Ситуация в мире в 1939 году была напряженной, в воздухе витало предчувствие войны. Поэтому то, что деление ядер было открыто именно в Германии и было доступно немецкому правительству, не обнадеживало. В письме американскому президенту Рузвельту ученый писал:
— Некоторые недавние работы Ферми и Силарда, которые были сообщены мне в рукописи, заставляют меня ожидать, что уран может быть в ближайшем будущем превращен в новый важный источник энергии. Некоторые аспекты возникшей ситуации, по-видимому, требуют бдительности и при необходимости быстрых действий со стороны правительства…
Лаборатория «Металлургическая»
— Та страна, которая первой сумеет практически овладеть достижениями ядерной физики, приобретает абсолютное превосходство над другими, — писали в 1939 году командованию Вермахта двое ученых из Гамбургского университета Пауль Гартек и Вильгельм Грот.
К осени 1942 года в США уже было преодолено большинство технологических барьеров, исследования оказались одобрены правительством, ученые получили в свое распоряжение достаточное количество графита, урана и его окиси. Проект по созданию атомной бомбы передали под начало военных, и он получил название Манхэттенского.
В рамках этого проекта была создана лаборатория с кодовым названием «Металлургическая», куда вошла экспериментальная группа Энрико Ферми — итальянского физика, бежавшего в США в 1939 году. Жена Энрико происходила из известной еврейской семьи, а к началу Второй мировой в стране был принят ряд законов, существенно дискриминирующих евреев. Выехав вместе с семьей на вручение Нобелевской премии, в Италию Ферми уже не вернулся. В США он начал работать над цепной реакцией деления ядер в уран-графитовой системе, что и привело его в лабораторию «Металлургическая».
Естественно, ученые не сразу приступили к строительству ядерного реактора. С 1941 года Ферми работал над подкритическими (коэффициент размножения нейтронов был меньше единицы, атомы не «горели», а «затухали») сборками меньших размеров, прежде чем приступить к строительству своего большого реактора. Стоит отметить, что и реактором-то его не называли. Долгое время в обороте был термин «атомный котел», в котором и «варили» уран. Хотя по форме это были отнюдь не котлы, а скорее квадратные поленницы.
Всего было собрано минимум 29 «поленниц». Самая первая была сложена из графитовых блоков (замедлителей нейтронов) размерами 10×10×30 см и кубов из окиси урана размерами 20×20×20 см и весом по 27 кг каждая. Для установки столь тяжелых кубов ученые привлекли местную футбольную команду, ребята из которой нуждались в подработке. В нижней части «поленницы» был установлен радион-бериллиевый источник нейтронов. Однако выхлоп от такой установки был разочаровывающим — коэффициент размножения нейтронов был равен 0,87, а цепная реакция быстро затухала.
Как собирали «Чикагскую поленницу»
Естественно, жители не могли не заметить такого оживления в районе: вереница грузовиков, оцепление и многочисленная охрана. Работы велись в условиях строжайшей секретности, а по городу ходили слухи, что там работают над излечением рака.
Была ли угроза для горожан? Физики решили, что реакцию в любом случае удастся успешно остановить, даже если она выйдет из под контроля.
Для того чтобы собрать котел, ученым потребовалось около 5,4 тонны металлического урана, 45 тонн окиси урана и 360 тонн графитовых брусков. Собственно, поэтому реактор и назвали «Чикагской поленницей» — уж слишком он был похож на обычную, хоть и чересчур аккуратную и большую гору дров.
Котел собирали в форме эллипсоида, предварительно оградив с трех сторон кубообразным воздушным шаром высотой 7,6 метра.
Первый слой состоял только из графитовых брусков. Далее все чередовалось таким образом, чтобы слои без урана сменялись двумя слоями с ураном. Работы велись 24 часа в сутки в две смены, за каждую из них «поленница» прибавляла по два слоя.
Прямо на месте с помощью токарных станков в брусках проделывали дыры для стержней управления и урана, а потому вскоре все помещение было заполнено черной пылью. Из-за этого работники и ученые стали больше походить на шахтеров. В качестве рабочей силы, кстати, набрали 30 парней, которых до этого по разным причинам выгнали из старших классов.
Более чистое топливо размещали как можно ближе к центру, просверливая дыры в графитовых «поленьях» и помещая в них урановые бруски. К тому же через всю кладку сверху вниз шло несколько каналов, в которых находились длинные бронзовые стержни, покрытые кадмием. Этот материал, хорошо поглощающий нейтроны, служил естественным тормозом реакции.
Укладка каждого слоя «поленьев» происходила лишь после замера активности нейтронов, чтобы можно было установить, когда же масса топлива станет критической, то есть когда количество производимых нейтронов будет равно количеству теряемых.
Остановились ученые на 57-м слое. «Поленница» не была бы «поленницей», если бы ее не обложили деревянными брусками, поддерживающими форму. К финальному моменту сборки реактора он вырос до 6,1 метра и был равен 7,6 метра в ширину.
Первый запуск
Физик Лео Силард, который присутствовал при эксперименте и принимал в нем активное участие, пожал руку Ферми и сказал, что спустя много лет этот день будут характеризовать «как черный день в истории человечества».
2 декабря 1942 года все было готово к первому испытанию. Посмотреть на экспериментальный запуск реактора собрались 49 ученых, которые расположились на балкончике возле реактора. Оттуда Ферми мог контролировать регулирующие кадмиевые стержни. Единственный человек, оставшийся возле реактора, должен был вытащить последний стержень. Если бы реакция вышла из-под контроля, ему бы вручную пришлось заталкивать стержень обратно. На балконе его страховал человек с топором, которым следовало перерубить веревку, удерживающую аварийный стержень. Последним рубежом обороны, согласно архивному сайту Департамента энергетики США, была бригада экстренного тушения с раствором кадмиевой соли, которым надо было залить «поленницу» в случае неудачи.
До обеда группа ученых по одному извлекала стержни из «поленницы», записывая и контролируя показатели активности. Однако процесс был прерван спустя несколько часов, когда один из стержней перешел в аварийный режим: его уровень срабатывания был очень низким. Присутствующие слегка перепугались, однако Ферми спокойно попросил вставить все стержни обратно и предложил сделать перерыв на ланч.
После обеда Энрико в сопровождении коллег и помощников спустился к «Чикагской поленнице». Новая попытка запуска «котла» стартовала в 14:00. Спустя почти полтора часа итальянский физик объявил, что реакция стала самоподдерживаемой. Он провел последние подсчеты на логарифмической линейке, и к 15:25 присутствующие окончательно убедились, что дело сделано: человек впервые обуздал силу атома, по балкону пробежала тихая рябь аплодисментов.
В следующие 28 минут нейтронный поток прошел заданный уровень безопасности, и Ферми попросил задействовать электромагнитную подвеску аварийной системы: стержни встали на свои места, счетчик нейтронов резко замедлился, а ученые открыли бутылку кьянти и разлили ее по бумажным стаканчикам.
— Итальянский мореплаватель высадился в Новом Свете.
— Как вели себя туземцы?
— Все высадились в безопасности и счастливы.
Таким диалогом передали наверх сообщение об успехе эксперимента.
Читайте также:
Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!
Быстрая связь с редакцией: читайте паблик-чат Onliner и пишите нам в Viber!
В качестве топлива использовался природный (необогащённый) уран в виде прессованных оксидов (около 33 т UO2 и около 3,7 т U3O8) и металлических слитков (общей массой около 5.6 т). [3] Замедлителем был выбран графит исходя из того, что это был единственный материал необходимой чистоты, доступный в больших количествах (в реакторе было использовано около 350 т).
Управление реакцией осуществлялось с помощью механического перемещения поглощающих нейтроны стержней из кадмия и бористой стали. Их было три типа:
Реактор не имел системы охлаждения и биологической защиты, поэтому мог работать лишь кратковременно и на очень маленькой мощности.
Предыстория
Для создания ядерной бомбы требовалось получить достаточные количества ядерного делящегося материала. Перспективными направлениями были признаны получение урана-235 путём обогащения природного урана и наработка плутония-239 путём облучения природного урана-238 нейтронами. Оба пути были связаны с серьёзными трудностями и имели свои преимущества и недостатки, поэтому работа по ним развивалась параллельно.
В состав лаборатории вошли многие известные физики и химики. Экспериментальная группа под руководством Ферми главным образом занималась самой цепной ядерной реакцией, химический отдел — химией плутония и методами разделения, теоретическая группа под руководством Вигнера — разработкой промышленных реакторов, хотя из-за тесной взаимосвязи научно-технических вопросов задачи могли перераспределяться между группами.
Расчёт оптимальных параметров будущего реактора требовал как точного определения прикладных величин вроде коэффициента размножения нейтронов, так и измерений характеристик конкретных образцов материалов предназначенных для постройки реактора. Для этих целей было создано несколько десятков подкритических сборок с дополнительными источниками нейтронов. Поскольку металлический уран достаточной чистоты был получен только в ноябре 1942 г., эксперименты проводились с прессованным оксидом урана.
К июлю эксперименты на подкритических сборках продвинулись достаточно, чтобы начать разработку реактора с критической массой.
Исходные оценки критического размера активной зоны были завышены, поэтому в конструкции реактора была предусмотрена оболочка, из которой можно было бы откачать воздух для уменьшения поглощения нейтронов. Она была изготовлена на заводе Goodyear по производству оболочек аэростатов (из-за секретности проекта её истинное назначение было скрыто, что вызвало там массу шуток о «квадратном воздушном шаре»).
К ноябрю оболочка с одной открытой стороной была подвешена над площадкой, и сборка реактора началась путём послойной укладки графитовых блоков и брикетов оксида урана (дефицитный металлический уран использовался лишь в центральной части реактора). Каждый слой укреплялся деревянными брусьями. Форма и размер слоёв менялись с высотой, придавая всей конструкции приблизительно сферическую форму. Две группы «строителей» (одна под руководством Уолтера Зинна (Walter H. Zinn), другая — Герберта Андерсона (Herbert L. Anderson)) работали почти круглосуточно. В. Уилсон (Volney C. Wilson) руководил работой с контрольно-измерительной аппаратурой.
Большинство «строительных материалов» изготавливалось непосредственно на месте, в соседних помещениях. Порошкообразный оксид урана прессовался в брикеты на гидравлическом прессе. Графитовые блоки выпиливались с помощью обычных деревообрабатывающих станков. По воспоминаниям самих участников, из-за большого количества образующейся чёрной пыли они весьма походили на шахтёров после смены.
После укладки каждого слоя поглощающие стержни осторожно извлекались, и проводились измерения нейтронных параметров. К примерно 50-му слою из 75 запланированных стало ясно, что критичность может быть достигнута даже при несколько меньших размерах активной зоны, чем предполагалось в начальных расчётах. Соответственно, количество и размеры последующих слоёв были уменьшены.
Эксперимент
2 декабря 1942 г. состоялся первый опыт по достижению надкритического состояния с развитием самоподдерживающейся цепной ядерной реакции.
В 9:35 стержень аварийной защиты был извлечён, и начались осторожные измерения зависимости нейтронного потока от положений регулирующих стержней, пока ещё в подкритическом состоянии. Ближе к полудню сработала система аварийной защиты, оказавшаяся установленной на слишком низкий уровень.
После перерыва на обед эксперимент был продолжен. Запись интенсивности нейтронного потока с автоматического регистратора с подписями о положении стержней показана на рисунке. (Резкие скачки графика вызваны переключением диапазонов чувствительности.) В начале видно характерное экспоненциальное приближение к равновесному уровню интенсивности для каждого положения поглощающего стержня в подкритическом состоянии реактора. Чем больше извлечён стержень, тем ближе реактор к критическому состоянию, и, соответственно, выше равновесная интенсивность. В конце, с 15:36, отчётливо виден экспоненциальный рост интенсивности, соответствующий нарастающей цепной реакции в надкритическом реакторе. С 15:53 виден резкий спад интенсивности — реактор был заглушен автоматической системой.
Пиковая мощность в этом эксперименте составила лишь около половины ватта, однако сама возможность управляемой самоподдерживающейся реакции была убедительно продемонстрирована.
12 декабря реактор проработал 35 мин на мощности около 200 Вт. При этом радиационный фон составлял 3 Р/ч непосредственно вблизи реактора и около 360 мР/ч в дальних углах зала.
Дальнейшая судьба
В феврале 1943 г. реактор был разобран, и его части перевезены в будущую Аргоннскую лабораторию, где они были использованы для сборки реактора CP-2.
Небольшие части графита из первого реактора выставлены в чикагском Музее науки и промышленности и музее науки Брэдбери [en] Лос-Аламосской национальной лаборатории.
Научная статья о реакторе [3] была опубликована в American Journal of Physics лишь спустя 10 лет, в 1952 г., после снятия секретности. В 1955 г. Ферми и Силарду был выдан патент США № 2708656 на «нейтронный реактор» (заявка была подана ещё в 1944 г.).
