Атомные реакторы — путь к реактору в Германии и США (часть 2)⁠⁠

часть 1

Эдвин Макмиллан

Разгоняя нейтроны и направляя их на ядра урана-239  ( Да, конечно, в циклотроне разгоняют протоны, которые "выбивают" пучки нейтронов из подложек. Конечно, я могу подробно описать все эти нюансы, как боролся с ними Ферми, почему у него получилось, а у многих других нет. Но! а) статья не посвящается физике ускорителей и б) увеличивать ее размеры не было желания - и так "простыня".  А что такое "подложка", почему она не одна и та же, как работают детекторы нейтронов? Если есть такой уж большой интерес - могу и на эту тему, она весьма интересна. Но давайте уж не в этом цикле, хорошо?), Макмиллан получил не один, а два разных результата. Основная масса ядер принимала в себя нейтрон, превращаясь в изотоп урана-239, в ядре которого все те же 92 протона и 147 нейтронов. Изотоп получался нестабильным – через примерно 23 минуты он распадался, но куда интереснее оказалось то, что в результате бомбардировки получалось и еще одно вещество, период полураспада которого равнялся приблизительно двум дням. Что это за чудо? Научное образование, которое получил Эдвин, было великолепным – он сам, без поддержки теоретиков догадался, что имеет дело с новым химическим элементом, с результатом бета-распада урана-239. Снова непонятный термин, но, вроде бы, уже последний. Бета-распад ядра урана-239 – это некое сумасшествие одного из его нейтронов. С криком «Хочу быть дворянкой столбовою!!!» нейтрон исторгает из себя … электрон, превращаясь в протон. То ли скука от необходимости сохранять нейтралитет, то ли зависть к важности роли протона – слабо понятно, хотя и неслабо изучено (надеюсь, что те из читателей, кто имеет приличное физическое образование, понимают, что слово «слабо» тут оказалось не случайно). В результате – таки да, таки действительно новый химический элемент, в ядрe которого 93 протона и 146 нейтронов. Макмиллан как ученый был весьма корректен: он не стал кричать об открытии первого в истории искусственного элемента, не стал придумывать ему название, а пригласил проверить свои результаты химика из группы Энрико Ферми – Эмилио Сегре. Но Сегре почему-то решил, что полученный Макмилланом элемент должен обладать теми же химически свойствами, что и рений и – не обнаружил этому доказательств, о чем и опубликовал в журнале Physical Rewiev статью с говорящим названием «Поиск трансурановых элементов не увенчался успехом».

Но Макмиллан, повторим, был не американцем, а янки и поверить, что он ошибся, не захотел. Договорившись с Лоуренсом и взяв в помощники на этот раз Филиппа Абельсона, Макмиллан начал серию экспериментов уже на циклотроне-152. Раз за разом повторяя опыт, Макмиллан обеспечил Абельсону достаточное количество «вещества №2», чтобы тот смог досконально проверить его химические свойста. Нет, у янки ошибок не было – это был действительно «элемент-93», и вот только теперь Макмиллан с чистой совестью дал ему заранее уже придуманное название – нептуний.

15 июля 1940 года результаты экспериментов Макмиллана и Абельсона были опубликованы все в том же Physical Rewiev. И Макмиллан тут же получил закономерные вопросы от коллег: если период полураспада нептуния составляет 2,3 дня, то во что он, любезный, превращается? Гипотеза у него уже имелась: он предполагал, что и у нептуния один из нейтронов слабенько сходит с ума, снова происходит бета-распад, результатом которого становится элемент-94, в ядре которого уже 94 протона и 145 нейтронов. Но гипотеза – это всего лишь предположение, и Макмиллан стал, как и полагается настоящему янки, не говорить, а действовать. Однако новая серия экспериментов не была им завершена: в ноябре 1940 года его откомандировали в Массачусетский технологический институт: срочно потребовалась его помощь в разработке бортовой РЛС для бомбардировщиков. Эксперименты были осуществлены ассистентом Макмиллана Гленом Сиборгом в феврале 1941 года, но их результаты в научной литературе появились только спустя лет, в 1946 году Сцилард сумел добиться своего: все новые работы физиков-атомщиков получили гриф «секретно». Именно по этой причине открытие плутония-239 было «отложено» на целых пять лет. Макмиллан оказался совершенно прав со своей гипотезой:

Узнаете? Да, это именно он – оружейный плутоний.

Оружейный плутоний, изотоп 239, 94 протона и 145 нейтронов. Давайте самостоятельно сравним его с изотопом урана-235 – тем самым, который так легко расщепляется и обеспечивает цепную реакцию деления. Уран-235 – это 92 протона и 143 нейтрона. Протонов там и там – четное количество, нейтронов там и там – нечетное. При этом число одноименно заряженных частиц у плутония-239 еще больше – значит, расщепляться он будет даже проще, чем уран-235. Первым физиком-теоретиком, сделавшим такое предположение, подкрепив его серьезными физическими выкладками, стал опять же американец, янки – Льюис Тернер. Подготовленная им статья заканчивалась совершенно логичным выводом:

плутоний-239 является идеальным ядерным топливом, которое можно использовать для получения цепной реакции деления

При этом плутоний-239 – самостоятельный химический элемент, отделить который от исходного урана-238 значительно проще, чем изотоп урана-235. Вот только статья эта появилась в печати несколько лет спустя – Тернеру хватило осторожности для того, чтобы посоветоваться с Сцилардом. Венгерский иммигрант сумел добиться своей цели: все работы по новейшим направлениям ядерной физики, производимые в США, с лета 1940 года стали секретными, отчеты о них больше не попадали в открытые источники. Ирония судьбы заключается в том, что именно этот факт стал одной из причин резкой активизации работ по ядерной физике в далеком СССР. Но об этом будет отдельная статья – тема того явно заслуживает.

Итогом работ Макмиллана и Тернера стало то, что у янки наметился некий план работы. Необходимо было создать ядерный реактор, в котором можно было синтезировать достаточное количество плутония-239, который химическими методами отделить от исходного урана-238. В качестве замедлителя янки сделали ставку на графит, поскольку имели хороший опыт работы с ним, ведь в Штатах было достаточно предприятий, выпускавших его для нужд электротехники. Да, конечно, нужно было обеспечить очень высокую чистоту этого элемента, но это было быстрее, проще и менее затратно, нежели создание «с нуля» завода по производству тяжелой воды. Американский практицизм стал залогом успеха группы Энрико Ферми, которой была поручена практическая работа по созданию реактора. Но синхронно с этими событиями произошло и еще одно, тихое и незаметное, поскольку это было «всего лишь» теория, не подтвержденная ни одним экспериментом.

Отто Фриш

Над вопросом «возможно ли создание урановой бомбы» продолжал размышлять и один из открывателей реакции деления ядра урана – Отто Фриш, перебравшийся из Дании в Англию. Ответ на этот вопрос зависел во многом от того, сколько же нужно урана, чтобы в нем началась цепная реакция деления? Если речь идет о десятках тонн – ни о какой бомбе и речи быть не может. Но разве могло быть иначе – ведь быстрые вторичные нейтроны «глотал» уран-238, реакция должна была затухать! Чтобы этого избежать, нужны действительно тонны природного урана, никак иначе.

Именно Фриш оказался человеком, который увидел, в чем ошибка всех его коллег: они рассматривали работу с ураном природным, в котором изотопа урана-235, как известно, всего 0,7%. Но уже было выяснено, что уран-235 начинает делиться как от медленных, так и от быстрых нейтронов. Следующий шаг был совершенно логичным: если из урана убрать весь уран-238, оставить только уран-235 — цепная реакция обеспечивается легко и непринужденно, поскольку тогда “срабатывают” все нейтроны второго и последующих поколений. Возможно, эта идея осталась бы только идеей, но судьба Фриша как эмигранта, свела его в Бирмингеме с земляком, который покинул Германию еще в 1933 году. К моменту знакомства с Фришем Рудольф Пайерлс был профессором математики в Бирмингенском университете и уже несколько лет плотно занимался новинками ядерной физики. Вот он-то и помог Фришу с расчетами, результаты которых потрясли обоих ученых: критическая масса урана-235, которой было достаточно для создания атомной бомбы, составляла всего несколько килограммов!

Для тех, кого интересуют дела не военные, а гражданские, кому интересно появление и развитие АЭС, эти расчеты и результаты тоже важны. Если бы не Фриш и Пайерлс, работы по обогащению урана могли быть и прекращены, вариант с плутонием-239, экспериментально подтвержденный янки, мог оказаться единственным. Проверить гипотезу двух эмигрантов технически было не так уж сложно, поскольку урана-235 требовалось действительно весьма небольшое количество. Корпоративная помощь английских ученых пришла на выручку: летом 1940 начались соответствующие эксперименты. Ошибка была: урана-235 требовалось почти 100 кг, но тут же Пайлерс смог найти выход из ситуации. Образец урана-235 надлежало “обернуть” эффективным отражателем нейтронов, который не даст свободным нейтронам покидать активную зону, тем самым заставив их делить ядра. Да, технически и практически создание урановой бомбы — реализуемо! Таким был окончательный вывод англичан, что впоследствии подстегнуло усилия янки по разработке технологии обогащения природного урана изотопом 235.

Впрочем, англичане и сами не стали сидеть, сложа руки. Несмотря на интенсивные бомбардировки острова, которые в то время активно вели люфтваффе, англичане нашли возможность провести серию экспериментов, показавших, что наиболее перспективным способом обогащения урана является газодиффузионный метод. Мало того, весной 1941 года компания Metropolitan-Vickers получила заказ от министерства обороны Великобритании на строительство опытно-промышленной установки из 20 «сеточек». Поскольку журнал «Геоэнергетика» в ближайшее время намерена рассказать и о том, как шли работы над созданием реактора в СССР, предлагаем сделать небольшую «зарубочку в памяти»: именно в это время к работе над газодиффузионным методом обогащения англичане допустили еще одного физика, эмигрировавшего из Германии. Выпускник Лейпцигского университета, специалист по квантовой механике, доктор физики, прошедший в Англии через лагерь для интернированных лиц как гражданин враждебного государства, но сумевший доказать свою лояльность приютившей его стране. Его знания и таланты оказались весьма востребованы, и он не единожды доказал, что способен справляться с самыми сложными научными проблемами. Звали этого человека Клаус Фукс.

Воевавшая страна находила финансирование и на эксперименты по строительству реактора, при этом английские физики в качестве замедлителя сделали ставку на тяжелую воду. Успехи были, но становилось очевидно, что усилий только министерства обороны не хватит, нужна поддержка правительства. 15 июля 1941 года ученые выступили с докладом перед правительственными сотрудниками, в котором уверяли, что способны создать атомную бомбу уже к 1943 году, но для этого нужна государственная поддержка, финансирование и активное сотрудничество с янки. Заседание было настолько секретным, что копию доклада на Лубянке смогли прочитать только в сентябре 1941 – настолько серьезным был подход со стороны спецслужб Великобритании!..

40-е годы, Чикаго (США)

А по ту сторону океана активно приступили к изучению свойств плутония-239, и к лету 1941 однозначно установили, что этот элемент делится в два раза активнее ядер урана-235. Если бы не англичане, американцы могли бы сосредоточиться только на получении плутония, и будущая атомная энергетика родилась бы значительно позже. Только получив сведения о том, что критическая масса урана-235 для создания атомной бомбы составляет всего 11 кг, янки стали вкладываться в газовую диффузию. После получения официальной копии доклада британских ученых, которое состоялось на пару недель позже, чем неофициальная копия добралась до Москвы, янки действовали стремительно. Комитет S-1 одновременно начал работы по нескольким направлениям, прямо-таки наполеоновскими методами. Газовая диффузия и сепарация на циклотроне Лоуренса, попытки работать с центрифугами, работы по получению химически чистого графита в промышленных масштабах и начало строительства завода по производству тяжелой воды в Канаде, работы по получению металлического урана и производству его оксидов, группа Ферми приступила к конструированию первого реактора – и все это одновременно. Тогда же произошло еще одно знаковое событие: в состав комитета S-1 получил допуск Роберт Оппенгеймер. Да, именно допуск, ФБР проверяло благонадежность Оппенгеймера более полугода, выясняя, насколько тесно он связан с коммунистической партией США. Еще раз, связи не с нацистами или фашистами, с которыми США находились в состоянии войны, а связи с партией, единомышленники которой руководили государством-союзником.

Организаторские способности Оппенгеймера можно описывать только в восхитительной форме. К примеру, уже в 1941 году, когда еще не успели научиться обогащать уран, когда плутоний-239 получали на циклотроне в количестве сотых долей грамма, когда еще не работал ни один реактор, Оппенгеймер «дал добро» на начало работ группы Эдварда Теллера, приступившей к обоснованию возможности создания термоядерной бомбы. Но Оппенгеймер был именно научным руководителем, а непосредственно всей организацией стремительно развивавшейся структуры американского атомного проекта 23 сентября 1941 года было поручено заниматься бригадному генералу Лесли Гровсу. Человек, которого явно недоставало слишком вольно чувствовавшим себя физиком. Человек, которого много позже Оппенгеймер вспоминал следующими словами:

«Последняя сволочь, но одновременно и один из наиболее умелых людей, которых я встречал в жизни».

Проект S-1 организационно подчинили вновь сформированному Манхэттенскому инженерному округу армии США, и постепенно янки, и мы вслед за ними, привыкли называть этот проект именно Манхэттенским.

Наступил 1942 год, США

Манхэттенкий проект разворачивался с каждым днем, сосредоточившись на обеспечении работы группы Энрико Ферми, трудившийся в Чикагском университете. Сюда, на бывшее поле для сквоша, везли уран. 33 тонны UO2 и 3,7 тонны U3O8, 350 тонн химически чистого графита. Физики, конструировавшие реактор, по вечерам смахивали на шахтеров, возвращающихся со смены. Графит пилили на блоки на деревообрабатывающих станках в помещениях стадиона, деревом укрепляли слои уложенных графитовых блоков. Черный цвет имела еще и руда урана, которую пока не обогащали – потому лучевой болезнью никто и не страдал, включая не только самих физиков, но и студентов из состава бейсбольной команды, которые подрабатывали на перетаскивании и укладке всех этих тяжестей. Блоки графита каждого второго слоя имели полости, куда вставлялось ядерное топливо, образуя кубическую решетку с шагом в 21 см. На заводе GoodYear, который в то время изготавливал оболочки для аэростатов, сделали защитную пленку, чтобы уменьшить доступ к активной зоне реактора кислорода в составе обычного воздуха, который теоретически мог поглощать свободные нейтроны. Заказ был секретным и долгое время служил темой для анекдотов: кубическая, квадратная форма оболочки не могла ею не быть.

Первый в мире ядерный реактор был «медленным»: он был построен Энрико Ферми под западными трибунами футбольного поля Чикагского университета из графитовых и урановых блоков, Рис.: http://academcity.org

Да, конечно, Энрико Ферми, руководивший строительством первого в мире реактора, отнюдь не американец, но американцами-янки были все остальные участники этой работы. Графит – на станке, уран – гидравлическим прессом из порошка превращали в бруски, таскали все просто руками. Вот описание системы управления. Три вида стержней из кадмия и бористой стали, поглощавшие нейтроны:

1. регулирующие, управляемые вручную – лебедкой!;

2. стержень-zip – контрольный, после извлечения которого, по расчетам Ферми, должна была начаться цепная реакция деления;

3. и стержень аварийной защиты, который висел над этой поленницей на веревке, чтобы в случае ЧП ее можно было … перерубить топором.

Высота Чикагской поленницы составила почти 6 метров, вот там и болтался этот стержень, возле которого в течение всего эксперимента дежурил сотрудник с топором наперевес. Степень риска, степень азарта и увлеченности всех участников эксперимента оцените сами. На наш взгляд, тогда американцы были янки, рисковавшими здоровьем и жизнями ради проекта государственной важности. Давно это было…

В 2 часа дня 2 декабря 1942 года Ферми приказал извлечь из реактора все регулирующие стержни. Лебедки скрипнули, 42 наблюдателя впились глазами в счетчики нейтронов. Новый приказ – и стержень-зип вытащили на 2,5 метра, мужик с топором нервно плюнул на ладони. Счетчики показали, что реакция стала самоподдерживающейся: нейтронов второго поколения стало ровно столько же, сколько нейтронов-инициаторов. Еще один приказ, и стержень-зип подняли еще на 30 см. Щелканье счетчиков превратилось в равномерный гул. Кроме него, в огромном помещении – никаких звуков. Через пять минут Ферми поднял руку: «Реактор стал критическим». Интенсивность высвобождения нейтронов удваивалась каждые две минуты. Полчаса в таком режиме – и реактор успел бы выработать около 1’000’000 киловатт энергии, успев бы убить радиацией всех собравшихся, прежде чем расплавиться. Ферми остановил эксперимент через 4,5 минуты.

Таким был день рождения первого в мире реактора. Графитового, на необогащенном уране, без системы охлаждения, зато в комплекте с мужиком с топором. Но уже строились обогатительные комплексы на «сеточках», в Канаде продолжалось строительство завода по производству тяжелой воды, геологи уже приступили к поиску новых месторождений, а в далеком СССР 28 сентября 1942 года было подписано распоряжение Государственного Комитета Обороны № 2352 «Об организации работ по урану». Медленно, но верно цивилизация подходила к началу эры атомной энергетики.