Под знаком кванта - Леонид Иванович Пономарёв
Выступая вслед за Бором, Энрико Ферми обратил внимание на то, что при делении ядер урана, кроме двух ядер-осколков, должно испускаться несколько нейтронов, которые в свою очередь могут вызвать последующие деления, то есть в уране возможна цепная реакция деления с выделением огромной энергии. Заключение Ферми было очень естественным (хотя в то время и не вполне очевидным: сами Фриш и Мейтнер, например, не заметили этого следствия своей гипотезы), однако противоречило наблюдаемым фактам: никто никогда не видел, чтобы кусок урана взрывался при облучении его нейтронами.
Размышляя над этим противоречием, Нильс Бор вспомнил, что четыре года назад Артур Демпстер с помощью своего
усовершенствованного масс-спектрометра обнаружил редкий изотоп урана 292U, причем оказалось, что природный уран на 99,28 % состоит из изотопа и лишь на 0,72 % — из изотопа 292U. Бор предположил, что медленными нейтронами делится уран-235, а быстрые нейтроны, которые при этом делении испускаются, сразу же поглощаются ядрами урана-238, поэтому нейтронная вспышка гаснет, как спичка, брошенная в поленницу сырых дров. Альфред Нир (р. 1911 г.) и Джон Даннинг (1907—1975) подтвердят эту гипотезу Бора только через год, 1 марта 1940 г., но поверили в нее сразу и во всех дальнейших исследованиях принимали ее во внимание.
Сразу же встало три новых вопроса: Сколько нейтронов и с какой энергией вылетает из ядра изотопа урана-235 при каждом делении? Что происходит с ядрами изотопа урана-238 после захвата нейтрона? При каких условиях возможно осуществить незатухающую цепную ядерную реакцию в уране?
Ответ на первый вопрос уже в середине марта получили сразу четыре группы исследователей: Фредерик Жолио-Кюри, Хальбан и Коварски во Франции, Флеров и Русинов в России, Ферми, Андерсон и Ханштейн, а также Сцилард и Зинн в США. Оказалось, что при каждом делении ядра урана-235 испускается примерно два-три вторичных нейтрона со средней энергией 1,3 МэВ. (Точное число нейтронов деления v=2,42, измеренное впоследствии, оставалось государственной тайной вплоть до 1950 г.)
При попытке ответить на второй вопрос вспомнили сразу одну из работ Мейтнер, Гана и Штрассмана. Еще в 1937 г., повторяя эксперименты группы Ферми, они заметили, что ядра урана особенно эффективно поглощают нейтроны с энергией 25 эВ (так тогда думали, в действительности — 6,8 эВ). Такое резонансное поглощение нейтронов всегда сопровождается 0-активностью с периодом полураспада 23 мин, в отличие от случая поглощения медленных «тепловых» нейтронов с энергией 0,04 эВ, когда наблюдается сложная смесь различных периодов полураспада. Теперь причина такого различия прояснилась: уран-235 наиболее эффективно делится медленными нейтронами (его сечение деления велико), и образующиеся в этом случае продукты деления имеют различные периоды полураспада. Напротив, при энергии нейтронов в несколько электрон-вольт сечение резонансного поглощения ураном-238 значительно превышает сечение деления урана-235, поэтому основным процессом является превращение урана-238 в нептуний-238 путем 0-распада.
Таким образом, чтобы цепная реакция стала возможной, необходим замедлитель нейтронов, который дол жен, во-первых, уменьшить их энергию в 10 миллионов раз — от 1 МэВ, с которой они вылетают при делении ядра урана-235, до энергии 0,1 эВ — и, во-вторых, осуществить это так / быстро, чтобы нейтроны успели замедлиться до того, как они столкнутся с ядром урана-238. Наконец, сам замедлитель не должен поглощать нейт Я. Б. Зельдович роны, то есть сечение захвата им нейтронов должно быть очень малым. Наиболее эффективно замедляет нейтроны водород (это хорошо помнили после опытов Ферми 1934 г.), но, к несчастью, оказалось, что он сильно их поглощает: сечение реакцииd + Y,
в которой при столкновении нейтрона с протоном образуется тяжелый изотоп водорода дейтерий и испускается у-квант, равно о = 0,33 барн. Это значительно меньше, чем сечение резонансного захвата в уране-238, равное «10 000 барн, но все-таки слишком много.
Летом 1939 г. советские теоретики Яков Борисович Зельдович и Юлий Борисович Харитон проделали первый расчет кинетики цепной реакции деления в растворе урана с водой. Их выводы были неутешительными: такой гомогенный ядерный реактор будет работать только в том случае, если концентрацию изотопа урана-235 повысить до 2,5 % вместо тех 0,72 %, которые присутствуют в любом образце природного урана.
Так возникла первая большая проблема атомной энергетики: разделение изотопов урана. Вначале ее считали настолько неприступной, что в течение двух лет о ней практически не думали. В самом деле, казалось невероятным, что когда-нибудь удастся разделить химически совершенно идентичные атомы изотопов урана, массы ядер которых различаются всего на полтора процента. Но война меняет представления о границах возможного: уже в 1944 г. были построены и работали заводы по разделению изотопов урана — огромные четырехэтажные корпуса шириной в полкилометра и в километр длиной, потреблявшие энергию электростанции, равной по мощности Днепрогэсу. Технологические детали этого процесса до сих пор хранятся в секрете, но его идея — метод газовой диффузии — хорошо известна.
Если смесь двух газов пропустить сквозь пористую перегородку с отверстиями, которые чуть больше самих атомов, то за перегородкой легкого газа в смеси станет немного больше, чем до перегородки, и, повторяя этот процесс многократно, смесь газов можно в принципе разделить полностью. По удивительной прихоти природы среди примерно 200 соединений урана есть только одно газообразное — шестифтористый уран UF6 — ядовитый газ, который уже при 56° конденсируется в виде игольчатых кристаллов. Если этот газ пропустить через специальную пористую перегородку, то за ней урана-235 станет на 0,14 % больше, чем до нее, а поставив несколько тысяч таких перегородок, можно в конце концов отделить уран-235 от урана-238. Все это станет возможным, однако, только пять лет спустя, а летом 1939 г. ученые были озабочены другим: как осуществить незатухающую ядерную реакцию в природном уране?
Прежде всего, вместо воды следовало выбрать другой замедлитель.
