Antonio Hernandez-Fernandez - В делении сила. Ферми. Ядерная энергия.

В 1941 году Ферми и Силард не без сложностей получили большие количества чистого графита и чистых минералов урана. Силард сам вел переговоры с американскими и канадскими компаниями, чтобы получить достаточное количество качественного материала, а Ферми проектировал уран-графитовый ядерный реактор, как он сам его назвал, пытаясь найти наилучшую геометрическую форму для обоих компонентов и разместить их так, чтобы получить самоподдерживающуюся цепную реакцию. Ученые знали, что чем больше размеры реактора, тем лучше протекает диффузия нейтронов и возрастает коэффициент размножения kef.

К сентябрю того же года лаборатория располагала шестью тоннами оксида урана (U3O8) и 30 тоннами графитовых блоков. Учитывая размеры и вес материалов, Пеграму пришлось найти другое помещение для их хранения. Так была построена Шермерхорн Рум — квадратная камера со сторонами длиной 2,45 м и высотой 3,35 м с блоками графита и урана, вставленными в герметичные контейнеры, с источником нейтронов радия и бериллия высокой интенсивности у основания. Из-за огромных размеров этой «поленницы» Ферми в шутку говорил, что впервые ему удалось совместить свою страсть к физике и горам и «карабкаться по собственным устройствам». Нейтроны можно было обнаружить с помощью панелей из индия, распределенных по камере. Так появился первый экспоненциальный реактор Ферми. По расчетам ученого, коэффициент размножения нейтронов был равен 0,87, но результаты оказались на 13% меньше необходимого минимума для получения самоподдерживающейся цепной реакции.

Несмотря на итальянское происхождение, Ферми заслужил доверие Вэнивера Буша и был назначен руководителем проекта по разработке ядерного реактора в Чикаго. Как любой начальник управления или отделения, ученый начал, как он сам говорил, «заниматься физикой по телефону». Он руководил инженерами, строящими новый реактор, обучал своих сотрудников, писал отчеты для военных (60 из них были обнародованы). С марта по сентябрь 1942 года Ферми провел ряд семинаров для членов своей команды и для военных властей, проявив выдающиеся педагогические способности.

По приезде в Колумбийский университет он вместе с Андерсоном проанализировал поглощающие способности бора и кадмия. Реактор должен был иметь систему контроля, чтобы надкритическое состояние не было превышено, и для реализации такой системы Ферми выбрал аварийную кассету из кадмия, механизм действия которой хорошо знал. По настоянию ученого к нему в Чикаго в феврале 1942 года приехал Андерсон.

Ферми назначил его ответственным за контроль чистоты материалов. Ученые начали конструировать «поленницы» меньшего размера по сравнению с Колумбийской, так называемые сигма-призмы с квадратным основанием, сторона которого была равна 1,22 м, и 2,44 м в высоту. Это было необходимо, чтобы определить эффективное сечение (о, сигма, — отсюда и название) графита, приобретенного Силардом. В основании был помещен источник нейтронов, и при помощи пластин индия были произведены измерения.

В июне 1942 года Рузвельт вместе с армией США и Управлением научных исследований и развития начал масштабную работу по созданию атомной бомбы. В августе программу, посвященную урану, назвали Манхэттенским проектом. Работа металлургической лаборатории стала государственным приоритетом, а Ферми получил пост руководителя теоретического отдела проекта.

Между преподаванием и исследовательской работой небольшая разница, если она вообще есть.

Замечание Ферми после цикла лекций, прочитанных в 1942 году

Между 15 сентября и 15 ноября 1942 года Зинн и Андерсон соорудили 16 экспоненциальных реакторов и успешно провели в них измерения. В августе были получены реакторы с коэффициентом размножения, превышающим 1, но контроль реакции еще стоял на повестке дня. В конце ноября казалось, что в реакторе Аргоннской национальной лаборатории все готово для получения самоподдерживающейся цепной реакции.

Однако из-за забастовки сотрудников лаборатории Комптону пришлось принять предложение Ферми и разместить реактор под западным сектором заброшенного стадиона Чикагского университета Stagg Field, на прямоугольном поле для сквоша размерами 9,15 x 18,30 м и немногим больше 8 м в высоту. Зинн и Андерсон уже построили там несколько экспоненциальных реакторов. Ферми смог убедить генерала Лесли Гровса, который должен был контролировать исследования в рамках Манхэттенского проекта (и самого Комптона), в том, что все будет в порядке. Ученый решил придать реактору более округлую форму диаметром 8 м, почти равным высоте поля для сквоша, — это позволяло свести к минимуму потери нейтронов. Он начал работу с деревянным остовом 16 ноября. Андерсон предложил обтянуть сферу оболочкой для аэростатов, а потом откачать из нее воздух и заменить его диоксидом углерода, уменьшив таким образом поглощение нейтронов азотом воздуха. Он сам заказал нужный материал компании Goodyear, которая вначале сочла этот запрос странным и не хотела за него браться, но в конце концов ее убедили деньги и приказ военных властей.

Конструкция состояла из перемежающихся слоев графита с содержанием оксида урана и блоков чистого графита, которым пытались придать близкую к сферической форму. В сборке реактора приняли участие студенты физического факультета Чикагского университета. В графите были проделаны желобки, в которые были вставлены деревянные брусья, покрытые пластинами кадмия. Каждый день в 8 утра Ферми просматривал эти пластины и данные, полученные за предыдущую ночь с помощью счетчика бора-фтора, чтобы проверить интенсивность поглощенных нейтронов. При необходимости пластины заменялись на новые.

Зинн спроектировал особый стержень, который назвали Zip. Он располагался в верхней части, был привязан к веревке и вытаскивался вручную. В желоб реактора он спускался с помощью ролика. Ферми решил сделать Zip встроенным, в том числе чтобы успокоить генерала Гровса и Комптона: многих волновало то, что реактор находится рядом с населенными пунктами. По мнению Нормана Хилбери, который должен был контролировать Zip, это был избыточный механизм обеспечения безопасности, поскольку ту же функцию выполняла кассета с кадмием, и группа Ферми наблюдала за ней ежедневно. Однако безопасность с момента построения первого ядерного реактора не была лишней.

По мере продвижения работ Ферми пришел к выводу, что критическая масса будет получена, даже если не достраивать сферу. Металлический уран Спеллинга имел отличную чистоту, а его расположение в центре реактора значительно увеличило коэффициент размножения.

В июне 1941 года было создано Управление по научным исследованиям и развитию. Артур Комптон с Вэнивером Бушем и Эрнестом Лоуренсом занялся американской программой по развитию атомной бомбы. На фото слева направо: Эрнест Лоуренс, Артур Комптон, Вэнивер Буш, Джеймс Конант, Карл Комптон и Альфред Ли Лумис.

Четвертая годовщина запуска «Чикагской поленницы — 1» (2 декабря 1946 года). Слева направо, в заднем ряду: Норман Хилбери, Сэмюэл Аллисон, Томас Брилл, Роберт Ноблс, Уоррен Ниер и Марвин Вилкенинг.

В среднем ряду: Гарольд Агню, Вильям Штурм, Гарольд Лихтенбергер, Леона Вудс и Лео Силард. Впереди: Энрико Ферми, Вальтер Зиин, Альберт Ваттенберг и Херберт Андерсон.

В ночь с 1 на 2 декабря был уложен последний, 57-й, слой урана и графита. По расчетам Ферми, он должен был создать критическое состояние, учитывая компенсацию потерь нейтронов и все дополнительные системы безопасности. В то же утро Ферми созвал около 40 человек (большинство из них были учеными металлургической лаборатории) и запустил процесс, который должен был привести к критическому состоянию. Совершенно случайно в тот момент в металлургической лаборатории с рабочим визитом находилась группа представителей компании DuPont. Они принимали участие в Манхэттенском проекте, и генерал Гровс обсуждал с этой компанией возможность промышленного создания атомных реакторов, если чикагские эксперименты будут успешными. Гровса интересовали и производство плутония, и возможности будущих реакторов. Таким образом, на DuPont была возложена огромная ответственность, особенно принимая во внимание участие Америки в мировой войне. Учитывая все это, Комптон решился нарушить инструкции военных и отправил Кроуфорда Гринуолта, представителя компании, который позже стал ее президентом, на запуск реактора, хотя к этой зоне могли приближаться только ученые.

Меня не интересует, как выглядят стулья: разумеется, у них должны быть ножки.

Фраза Ферми, свидетельствующая о его прагматизме

По мере того как вынимались кадмиевые стержни, активность нейтронов росла и приближалась к критической. Когда Вейль достал последний стержень, Ферми улыбнулся и прервал всеобщее молчание: «Реакция поддерживается сама». Критическое состояние было достигнуто к 15:22. Ферми оставил реактор включенным в течение 28 минут на максимальной мощности всего в 0,5 Вт, после чего попросил Зинна ввести стержень Zip. Увы, при этом событии, состоявшемся 2 декабря 1942 года, не присутствовали фотографы, и никто не увековечил момент запуска первого реактора с самоподдерживающейся ядерной реакцией — все связанное с этим было военной тайной.