Александр Проценко - Энергия будущего
В два часа ночи Курчатов позвонил в лабораторию и сказал: „Тщательно проверьте. Это не открытие, а какая-то грязь“. В течение нескольких месяцев он заставлял своих учеников менять условия опытов и добывать неопровержимые факты. Возникали сомнения: может быть, лаборатория заражена радиоактивностью? Нет, ни один радиоактивный элемент не мог дать таких сильных импульсов. Может быть, деление вызывают космические лучи? Немедленно опыты переносятся под землю, на станцию „Динамо“ Московского метрополитена. Нет, космические лучи тут ни при чем… Когда все сомнения были разрешены, И. Курчатов Наконец согласился на опубликование открытия.
Г. Флеров с К. Петржаком в начале 1940 года послали краткое сообщение об открытом ими новом явлении — самопроизвольном делении урана — в американский журнал „Физикал ревью“, в котором печаталось большинство сообщений об уране. Письмо было опубликовано, но проходили неделя за неделей, а отклика все не было. Просматривая американские журналы, советские физики обнаружили поразительный факт. После бурного потока статей, наперебой сообщавших о результатах исследования деления урана, американская печать вдруг умолкла».
После Великой Отечественной войны мы узнали, что инициатором засекречивания работ по урану была группа физиков во главе со Сциллардом. Да, именно тем Сциллардом, который в письме к Ф. Жолио-Кюри выражал надежду, что число нейтронов, выделяющихся при делении, будет слишком малым, чтобы вызвать беспокойство. Беспокойство какого рода его волновало, из-за чего?
Теперь это очевидно. Если число нейтронов, вылетающих при одном акте деления, велико, то возможна растущая цепная реакция деления, которая, если ее не контролировать, может привести к взрыву, взрыву громадной мощности. А это не что иное, как атомная бомба. Надо иметь в виду, что в эти годы в Германии фашизм достиг апогея. Всем было ясно, куда гитлеровцы ведут мир: он стоял на грани второй мировой войны.
Опасаясь, что получаемые результаты могут быть использованы фашизмом для создания ядерного оружия, Л. Сциллард и предложил засекретить работы по урановой проблеме.
В Советском Союзе урановая проблема последний раз открыто обсуждалась в Москве в ноябре 1940 года на Всесоюзном совещании по физике атомного ядра.
И. Курчатов и Ю. Харитон выступили тогда с обстоятельными докладами об условиях осуществления цепной реакции.
После этого общение физиков СССР, США и других стран прервалось. Возобновилось оно только в послевоенные годы.
Что же касается количества нейтронов, вылетающих при делении урана, то их оказалось достаточно. Первые эксперименты, проведенные группой Ф. Жолио-Кюри, разрушили отчаянные надежды Л. Сцилларда на то, что ядерная реакция заглохнет. Освобождение энергии атома оказалось возможным: при делении одного ядра урана французские физики насчитали от 2,8 до 4,2 вылетающего нейтрона. Позже это число было уточнено: тщательные измерения показали, что количество освобождающихся нейтронов неодинаково в разных случаях деления и зависит от того, каким образом распалось ядро урана. При одном акте деления может быть всего один нейтрон, при другом — два, а при следующем — три.
Если подсчитать среднее число нейтронов, вылетающих при делении, то окажется, что оно равно 2,5.
Заканчивая рассказ об истории открытия деления урана, нельзя пройти мимо такого важного факта: большую часть фундаментальных открытий делали молодые ученые. В те годы Э. Ферми, И. Курчатову и Ф. Жолио-Кюри было всего по 30–35 лет. Да и ныне стало привычным, что самый большой творческий вклад в развитие науки вносят молодые исследователи. Их успех объясняется тем, что им легче выкорчевывать из своего подсознания устаревшие понятия и истины.
Открытие, сделанное в бассейне
Казалось бы, имеется все для создания установки по извлечению энергии ядра: есть уран-235, способный делиться, есть самопроизвольное деление урана, которое дает начало цепной реакции, и, наконец, для поддержания цепной реакции есть большое количество нейтронов, вылетающих при делении.
Если бы, скажем, возникло требование построить атомный реактор мощностью 500 ватт, работающий на протяжении пяти лет, то понадобился бы всего один грамм урана.
Однако нечего надеяться с помощью такого реактора вскипятить воду в чайнике (ведь 500 ватт — мощность обычной бытовой электроплитки), так как в нем не возникнет самоподдерживающейся цепной реакции.
Почему?
В какой-то момент в таком кусочке урана произойдет самопроизвольное деление хотя бы одного ядра. Допустим, при этом вылетят два нейтрона, которые, попав в находящиеся рядом два ядра урана, вызовут их деление… По логике вещей, должна получиться цепная реакция. Но быть уверенным в том, что два нейтрона, вылетевшие при самопроизвольном делении первого ядра, попадут в соседние ядра урана, нельзя.
Можно привести такой пример. Попробуйте, встав напротив открытого окна дома, попасть в него хотя бы теннисным мячиком. Можно с уверенностью сказать, что это сделать нетрудно. Но если, скажем, в каком-то заранее неизвестном месте будет подвешен спичечный коробок и попасть в него надо с закрытыми глазами, мячик, пожалуй, придется бросать несколько тысяч раз.
Точно в таком же положении находится и нейтрон, вылетевший из разделившегося ядра. Он тоже ничего «не видит», и весьма вероятно, что он пролетит мимо всех окружающих его ядер урана. Ведь кусок урана только нам кажется очень плотным, непроницаемым веществом.
Для нейтрона же это пустота, в которой ему лишь изредка попадаются ядра урана. Их объем в этом кусочке занимает всего одну десятитриллионную долю. Сам нейтрон по сравнению с этим «пустым» кусочком урана так же мал, как шарик объемом в один кубический миллиметр по Сравнению с Солнцем.
Чтобы рождающиеся нейтроны могли попасть в ядра урана, нужно на пути их полета увеличить количество этих ядер, а значит, увеличить толщину слоя урана, через который должны пролетать нейтроны. С ростом размеров куска урана, который мы можем называть реактором, все большее число нейтронов будет попадать в ядра урана, вызывая их деление.
При каком-то размере куска доля нейтронов, попадающих в ядра урана, будет достаточна для поддержания цепной реакции. Этот минимальный объем реактора, при котором обеспечивается самоподдерживающаяся цепная реакция, называют критическим объемом, а соответствующий вес урана — критической массой. Величина ее для урана-235 составляет около 50 килограммов.
Этот реактор мы «построили» целиком из урана.
Однако более распространены реакторы другого типа, в которых уран перемешан с каким-либо неделящимся элементом. Тогда критическая масса может быть гораздо меньшей.
Основной принцип, лежащий в основе построения такого реактора, был открыт Э. Ферми в 1934 году, когда вообще еще ничего не было известно о делении урана.
Вместе со своими сотрудниками Б. Понтекорво, Амальди и другими Э. Ферми занимался исследованием радиоактивности различных элементов. Образцы изготавливались в виде пустотелых цилиндров с вставленными в них источниками нейтронов. При облучении материала цилиндрика нейтронами образовывались радиоактивные ядра. Именно их радиоактивность и изучали исследователи. И вот 22 декабря 1934 года, производя опыты с серебряным цилиндриком, Б. Понтекорво обнаружил, что активность цилиндрика была разной в зависимости от того, где он стоял в момент облучения. Оказалось, что предметы, находящиеся вблизи цилиндрика, способны влиять на его активность: если цилиндрик облучали, когда он стоял на деревянном столе, его активность была выше, на металлической подставке она понижалась.
Вот что пишет по этому поводу Лаура Ферми в книге «Атомы у нас дома»: «Теперь уже вся группа заинтересовалась этим и все приняли участие в опытах. Они поместили источник нейтронов вне цилиндра и между ним и цилиндриком ставили различные предметы.
Свинцовая пластина слегка увеличивала активность.
Свинец — вещество тяжелое. „Ну-ка давайте попробуем теперь легкое! предложил Ферми. — Скажем, парафин“. Счетчик словно с цепи сорвался, так и защелкал.
Все здание загремело возгласами. Немыслимо! Невообразимо! Черная магия! Парафин увеличивал искусственную радиоактивность в сто раз…
„Давайте-ка попробуем установить, какое действие окажет на активность серебра большое количество воды“, — заявил Энрико.
Лучшего места, где имелось бы „большое количество воды“, чем фонтан с золотыми рыбками в саду… позади лаборатории, нельзя было и придумать. Они притащили свой источник нейтронов и серебряный цилиндрик к фонтану и опустили то и другое в воду. Результаты эксперимента привели их в неистовое возбуждение… Вода также во много раз увеличивала искусственную радиоактивность серебра».
