Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы - Марк Перельман

По-видимому, первым о возможностях и опасностях военного применения реакций деления задумался Л. Сцилард[30]: по его оценкам, при делении ядра изотопа урана-235 должны были выделяться два-три нейтрона, и он боялся, что можно создать какой-нибудь портативный объем с ядерной взрывчаткой. Вместе с Вигнером (а вторично — с Э. Теллером) они обратились к Эйнштейну — будучи эмигрантами из Германии, они хорошо знали уровень ее науки и технологии, высший в мире до прихода Гктлера, и боялись, что Германия может первой создать такую «взрывчатку». Эйнштейн написал письмо президенту США Ф. Д. Рузвельту, которое общий знакомый смог лично ему передать. (Еще до того, по-видимому, схожее письмо отправил в военное министерство Э. Ферми, но оно и ряд последующих утонули в бюрократическом болоте. В Англии с аналогичным предупреждением к правительству обратились О. Фриш и Р. Пайерлс.)

В итоге этих хлопот Ферми было выделено 6 (именно шесть!) тысяч долларов на ведение урановых исследований — решение о создании бомбы было принято правительством 6 декабря 1941 г., за день до нападения Японии на Перл-Харбор и вступления США в войну. Сцилард пытался уговорить коллег добровольно отказаться от всех открытых публикаций по этой тематике: американцы и англичане в большинстве согласились — они поняли величину ставки в неизбежном соревновании с несомненным противником, Ф. Жолио во Франции и его группа вначале отказывались от самоцензуры, но вскоре Франция пала, и работа их прекратилась — Жолио смог переслать весь накопленный запас тяжелой воды, необходимый для экспериментов, в Англию.

Уже очень быстро Н. Бор и Джордж А. Уилер теоретически, а затем Э. Ферми и его группа экспериментально показали, что для осуществления цепной реакции основной изотоп уран-238 малопригоден: вероятность захвата нейтрона его ядром очень мала, и поэтому нужно было бы собрать громадное его количество. Гораздо более перспективным представлялся изотоп уран-235, но он очень редок — примерно один атом на 140 атомов обычного урана.

Итак, возникла следующая задача: обогатить выделенный уран этим изотопом (отсюда термин: «обогащенный уран», в нем относительное содержание изотопов несколько изменено.) Трудность задачи состоит в том, что они почти не различимы химически, сыграть можно лишь на крохотной разнице их масс, чуть более одного процента.

Мы уже упоминали, что Лоуренс использовал для этого циклотрон: ионы разгонялись в нем и при этом ионы более легкого изотопа приобретали чуть большую скорость. В других группах пытались использовать центрифуги (такой способ применяется и сейчас), ионнообменные смолы, осмос и т. д. Проблема стояла очень остро, и поэтому к ней подключился, в частности, Вигнер, инженер по первоначальному образованию.

Группе Ферми тем временем, все же, увеличили финансирование, и она сумела провести измерения громадного количества параметров всех атомов и ядер, которые могли встретиться в обогащенном уране. Выяснилось (это было основным), насколько нужно замедлить нейтроны, вылетающие при делении одного ядра, для того, чтобы вероятность его захвата следующим ядром стала максимальной. Для этого, как оказалось, нейтроны должны пройти определенный путь в сверхчистом графите (любая примесь их поглощала) или в так называемой тяжелой воде — это вода, в которой атомы обычного водорода заменены его изотопом дейтерием (самый большой завод по производству тяжелой воды для совсем иных нужд находился в Норвегии, поэтому союзники на всякий случай, чтобы опередить немцев, его разбомбили, а партизаны докончили уничтожение).

К концу 1942 г. удалось накопить столько обогащенного урана и выработать столько необходимого графита, что возникла возможность попробовать собрать первый «котел» — так для конспирации называли ядерный реактор.

Котел собирали под трибунами теннисного стадиона Чикагского университета, в рабочие ректор определил всю университетскую команду регбистов — парни здоровые, они никак не могли понять, зачем им нужно таскать тяжеленные и очень пачкающие блоки графита — им, конечно, ничего не объясняли. Реактор состоял из чередующихся в определенном порядке блоков урана и сверхчистого графита, между ними проходили стержни из кадмия — лучшего поглотителя нейтронов.

В современных атомных реакторах в качестве топлива используются изотопы урана и плутония. Ядра урана или плутония при взаимодействии с нейтронами делятся чаще всего на два осколка и испускают при этом 2–3 нейтрона. Осколки обладают огромной кинетической энергией в десятки тысяч электрон-вольт и, тормозя свое движение в топливном материале, нагревают его. Теплотворная способность ядерного топлива в миллионы раз выше органического топлива: при распаде одного грамма урана может образоваться столько же тепла, сколько при сгорании почти трех тонн угля. Это тепло поглощается теплоносителем, чаще всего жидким натрием, циркулирующим по первому тепловому контуру, а он греет второй контур, водяной, перегретый пар из которого подается на турбины электрогенераторов.

Помимо таких реакторов на медленных нейтронах, строятся реакторы на быстрых нейтронах (БР). У них нет замедлителей, и поэтому размер активной зоны, в которой происходит деление, у них меньше, чем у тепловых, а вокруг активной зоны размещается зона воспроизводства из урана-238. Процесс начинается с деления урана-235 или плутония-239 в активной зоне и испускания в среднем немногим более двух нейтронов (у плутония эта величина выше, чем у урана) на одно ядро. Один из них идет на деление нового ядра урана-235 и поддержания цепной реакции с выделением новых нейтронов, другой захватывается ядрами урана-238. Получившееся ядро изотопа урана-239 испускает электрон, превращаясь в ядро нептуния-239, ядро которого также испускает электрон и превращается в плутоний-239. Таким образом, в процессе работы БР происходит не только генерация тепловой энергии, но и воспроизводство плутония-239. Поэтому БР еще называют бридером (от английского «брид» — размножать).

Великий день настал 2 декабря 1942 г. Реактор окружили счетчиками нейтронов, которые должны были зафиксировать начало и величину их потоков. На верхушку пирамиды забрался Сэмюэл К. Аллисон (1900–1965) с ведром жидкого кадмия, который он должен был лить в реактор, если реакция выйдет из-под контроля, и стержни поглотителя стали осторожно вытягивать: нейтроны сразу же пошли, расчеты оказались верными!

«Было ясно, — писал впоследствии Джон Кокрофт, — что Ферми открыл дверь в атомный век». Так началась ядерная эра!

Уже позже было проверено, сколько тепла выделяется при этой реакции, и т. д. Но, пожалуй, самое главное было в ином: в процессе работы реактора некоторые атомы урана переходят после ряда промежуточных реакций в атомы плутония, элемента за номером 94. Плутоний, как позже выяснилось, не менее урана-235 подходит для создания оружия, но так как химически он все же более отличен от обычного урана, то его много проще выделять уже из отработанного, т. е. лишенного урана-235, ядерного горючего.

Таким образом, ядерные реакторы не только дают тепло, на котором могут работать электростанции, но одновременно производят и новые радиоактивные вещества, в том числе так называемый оружейный плутоний — меньше на обычных реакторах, больше на бридерах. (Именно поэтому, подчеркнем, так опасно строить реакторы в политически нестабильных регионах.)

Бурное развитие ядерной энергетики породило несколько новых проблем. Первой из них, вероятно, нужно назвать вопросы обеспечения безопасности населения в случае аварий реакторов — особенно после страшных событий в Чернобыле в 1986 г. Вторая трудность в том, все реакторы имеют конечный эксплуатационный период — что делать с ними по окончании такого периода? (Эта проблема близка к проблеме утилизации ядерных отходов в процессе обслуживания реакторов.) Наконец, нужно максимально обезопасить реакторы от возможных налетов террористов.

Представляется, что все три проблемы решает, в оптимальной на сегодня форме, предложение А. Д. Сахарова: реакторы нужно строить в глубоких соляных пластах. Само существование таких слоев означает, что через эти пласты очень и очень давно не проходят подземные воды, а потому нет опасности выноса активных веществ на поверхность, при необходимости же захоронения реактора его можно просто оставить в этом слое и только закрыть сверху. Что же касается реактора в Чернобыле, то, по мнению Сахарова, его следовало направленными взрывами погрузить вглубь Земли…

После успешного запуска первого реактора вопрос создания ядерного оружия стал в практическую плоскость. Был организован так называемый Манхэттенский проект. Его возглавил 46-летний полковник Лесли Р. Гровс, профессиональный военный, который характеризовал ученых, работавших над созданием атомной бомбы, как «дорогостоящее сборище чокнутых». Научным руководителем проекта был назначен Роберт Оппенгеймер (1904–1967), известный американский физик-теоретик, стажировавшийся в свое время у Э. Резерфорда и М. Борна. Оппенгеймер организовал основную лабораторию вдали от населенных пунктов, в пустынном местечке Лос-Аламос (штат Нью-Мексико). Сюда перешла из Чикаго группа Ферми, а кроме того, Оппенгеймер смог собрать весь цвет эмигрантов из Европы и молодых американских физиков[31].