Энрико Ферми

Создание первого ядерного котла

В течение многих лет было известно, что в атомных ядрах содержится огромный запас энергии и что освобождение этой энергии не противоречит ни закону сохранения энергии, ни другим общепринятым основным законам физики. Признавая этот факт, физики все же вплоть до недавнего времени придерживались мнения, что освобождение ядерной энергии в крупных масштабах не может быть достигнуто, если только не будут открыты какие-то новые явления.

Причины такого несколько пессимистического отношения состояли в следующем. Вообще говоря, существуют два типа процессов, в которых могла бы высвобождаться ядерная энергия. Во-первых, если два ядра окажутся в тесном контакте, то между ними будут происходить различные спонтанные ядерные реакции, при которых выделяется энергия. По-видимому, наипростейшим примером из многих возможных является обычный водород. Если приблизить друг к другу два ядра водорода, то они могут вступить в самопроизвольную реакцию, образуя ядро дейтерия и испуская позитрон. При таком процессе освобождается энергия в количестве около 1,4 МэВ, что эквивалентно 1,6 × 10 калорий на грамм, т. е. примерно в два миллиона раз больше энергии, выделяющейся при сгорании того же количества угля. Однако водород не является ядерной взрывчаткой, так как при обычных условиях ядра водорода никогда не смогут вступить в контакт друг с другом вследствие отталкивания положительных электрических зарядов, свойственных ядрам. Тем не менее не существует теоретических соображений, запрещающих сближение ядер, которое и происходит, действительно, как при очень высоких температурах, так и при очень высоких давлениях. Однако такие температуры и давления находятся далеко за пределами, достижимыми с помощью обычных средств. Достаточно высокие температуры, при которых ядерные реакции могут протекать с заметной скоростью, действительно встречаются – во внутренних областях многих звезд и, в частности, Солнца. Общепризнанно, что основным источником энергии, излучаемой звездами, являются подобные реакции.

Другим возможным путем освобождения ядерной энергии является цепная реакция. При подавляющем большинстве ядерных превращений происходит испускание частиц (α-частиц, протонов или нейтронов), которые, в свою очередь, могут вызвать новые реакции. Тогда можно представить себе такое положение, когда в результате протекания первой реакции образуется достаточно много частиц, чтобы вызвать в среднем более одной подобной реакции. Если это так, то в каждом «поколении» возрастает число ядер, принимающих участие в реакции, и это происходит до тех пор, пока не «выгорит» значительная часть первоначального вещества. Цепная реакция будет развиваться или затухать в зависимости от того, больше или меньше единицы число новых процессов, происходящих под действием частиц, испущенных при первом процессе. Это число называется «коэффициентом размножения».

Для всех без исключения процессов, которые были известны до открытия деления в начале 1939 г., коэффициент размножения был исчезающе мал по сравнению с единицей. С открытием процесса деления появились новые возможности. Почти сразу после того, как стало известно об этом открытии, было высказано предположение, что отделившиеся друг от друга осколки ядра могут быть возбуждены настолько сильно, что из них могут «испаряться» нейтроны. Вскоре эта догадка была подтверждена экспериментами на обоих берегах Атлантики.

К весне 1939 г. стало широко известно, что при делении, происходящем в результате соударения нейтрона с ядром урана, может возникнуть несколько, вероятно около двух или трех, новых нейтронов. В то время многие физики полагали, что возможность осуществления цепной реакции с помощью деления урана заслуживает внимательного изучения.

Эта возможность порождала большие надежды и в то же самое время глубокую тревогу. В начале 1939 г. все понимали, что грозит война на уничтожение. Появились вполне обоснованные опасения, что скрытые в новых научных открытиях потрясающие военные возможности будут использованы нацистами раньше, чем это успеют сделать другие. Ни у кого в то время не было достаточных оснований, чтобы представить себе объем требующихся для этого усилий. Очень может быть, что цивилизация выжила благодаря тому, что для создания атомной бомбы потребовалось такое напряжение промышленности, которое во время войны было не по силам ни одной из воюющих сторон, за исключением Соединенных Штатов. Политическая ситуация того времени оказала непривычное действие на ученых. Отступая от своих традиций, они установили добровольную цензуру и стали рассматривать проблему как не подлежащую разглашению задолго до того, как ее важность была признана правительствами и секретность стала принудительной.

Возвращаясь к шагам, приведшим к получению цепной реакции, я хотел бы отметить, что в конце 1939 года из имевшейся тогда информации явствовало, что заслуживают внимания два подхода к решению этой задачи. Первым шагом в одном из них должно было служить выделение из обычного урана редкого изотопа 235, ответственного за деление урана медленными нейтронами. При таком выделении исключается паразитное поглощение нейтронов в распространенном изотопе 238; поэтому считалось, что, как только будет получен уран с высоким содержанием U¹⁰²³⁵, будет легко осуществить и цепную реакцию. Действительная трудность состояла, конечно, в том, чтобы разделение изотопов осуществить в промышленных масштабах.

Другое направление, которое я и хотел рассмотреть в этом сообщении, исходило из применения естественного урана. Размещение этого вещества таким образом, чтобы смогла произойти цепная реакция, представляло, конечно, гораздо более трудную задачу, чем аналогичный вопрос для U²³⁵. Действительно, надо очень бережливо использовать нейтроны, образовавшиеся в результате первичного деления, чтобы, несмотря на большое паразитное поглощение U²³⁸, добиться положительного баланса нейтронов. Надо приложить все силы, чтобы сделать соотношение между полезным и паразитным поглощениями нейтронов как можно более благоприятным. Соотношение между этими поглощениями зависит от энергии нейтронов; если не вдаваться в детали, оно наиболее благоприятно для нейтронов малых энергий. Поэтому один из шагов состоит в замедлении нейтронов от их высокой начальной энергии, порядка 1 МэВ, до энергии теплового движения. В течение некоторого времени уже был известен простой процесс, помогающий достичь этой цели. Этот процесс основан на том очевидном факте, что когда быстрый нейтрон сталкивается с атомом и отскакивает от него, то некоторая часть энергии нейтрона теряется на отдачу атома. Для легких атомов, которым легче испытывать отдачу, эффект возрастает и достигает максимума для водорода, но он вполне заметен и для всех легких элементов.

Итак, для того чтобы замедлить нейтроны, уран должен быть распределен по объему, занимаемому удобным легким элементом. Казалось бы, что проще всего применить самый легкий элемент, водород, соединения которого (вода, парафин) было общепринято использовать для замедления нейтронов. Однако при дальнейших исследованиях обнаружилось, что водород не совсем подходит для этой цели. Это обусловлено тем, что ядра водорода способны заметно поглощать нейтроны, образуя при этом ядро тяжелого водорода, дейтерия. Поэтому при использовании водорода для замедления нейтронов появляется новый источник паразитного поглощения, который угрожает «съесть» небольшой положительный избыток нейтронов, необходимый для поддержания цепной реакции.

Поэтому надо рассматривать замедлители нейтронов из других легких элементов. По сравнению с водородом все они не так эффективны, но зато существовала надежда на уменьшение поглощения, что могло с избытком компенсировать этот недостаток. В 1939 г. свойства поглощения многих легких элементов были известны плохо. В литературе можно было найти лишь довольно неточные верхние пределы, и то для немногих случаев. Наиболее подходящими элементами тогда казались дейтерий в виде тяжелой воды, гелий, бериллий и углерод в форме графита.

При обсуждении выбора замедлителя в нашей группе, которая работала над этой проблемой в Колумбийском университете в течение 1939–1940 гг. и в которую входили Джордж Пегрэм, Лео Сцилард и Герберт Андерсон, мы пришли к выводу, что наиболее обещающие возможности открывает использование графита. Этот вывод был сделан главным образом потому, что графит можно было легко получить. Весной 1940 г. в Колумбийском университете мы начали экспериментальные исследования свойств графита, используя несколько тонн этого вещества, полученных нами через председателя Уранового комитета, д-ра Бриггса. Работа шла по двум направлениям: определялись характеристики поглощения нейтронов в графите и изучалась его эффективность как замедлителя нейтронов. Эксперименты проводились следующим образом. Из графита сооружалась квадратная колонна высотою несколько футов. На оси колонны помещался небольшой источник нейтронов – несколько граммов бериллия, смешанных с радоном или радием. Испущенные источником нейтроны диффундируют по колонне и постепенно замедляются до энергий теплового движения; они продолжают диффундировать и после этого, пока не будут поглощены или не выйдут за пределы колонны. С помощью детекторов, чувствительных к нейтронам различных энергий, были изучены пространственные и энергетические распределения нейтронов по всему объему колонны. Для интерпретации этих результатов служила математическая теория процесса диффузии. Такие исследования позволили разработать математический метод довольно точного расчета всей «истории жизни» нейтрона, начиная с момента его испускания, как быстрого нейтрона, и кончая его поглощением.

В то же самое время были начаты работы по определению избыточного числа нейтронов, испускаемых естественным ураном при поглощении теплового нейтрона. Так как значительная доля тепловых нейтронов, поглощаемых ураном, захватывается U²³⁸ и не приводит к делению, то этот избыток оказывается не очень большим. Для того чтобы этот избыток остался положительным, позволяющим цепной реакции развиваться, чрезвычайно важно уменьшить до минимума возможные паразитные потери. Весьма существенного снижения паразитных потерь, происходящих во время замедления нейтронов, удается добиться с помощью простой уловки. Вместо того чтобы равномерно распределять уран по объему графита, его можно расположить в виде блоков, образующих в графите решетку некоторой подходящей конфигурации. При таком расположении уменьшается вероятность столкновения с атомом урана для еще не замедлившихся нейтронов, имеющих энергию, при которой паразитное поглощение особенно велико.

Работа над повышением эффективности этого метода, проводившаяся группой Колумбийского университета, была весьма существенным образом усилена сотрудничеством с новой исследовательской группой, созданной в Принстонском университете. К весне 1941 г. было накоплено достаточно сведений о деталях процесса, чтобы получить довольно ясное представление о важности различных факторов и о наилучших способах сведения к минимуму нежелательных эффектов.

Вообще говоря, в принципе возможно было бы измерить с большой точностью характеристики поглощения и рассеяния нейтронов для всех энергий и для всех необходимых веществ. Затем эти результаты можно было бы подставить в теоретические выражения, причем теория процесса должна быть разработана настолько тщательно, чтобы быть в состоянии предсказать достаточно точно, как поведет себя данная система. Иными словами, можно было бы пытаться получить ответ на вопрос, будет ли развиваться цепная реакция в данной системе, только с помощью вычислений. Практическая осуществимость такой программы не внушала особого доверия. Мы знаем теперь, что положительный избыток, который и делает возможной цепную реакцию, в уран-графитовой системе составляет всего несколько процентов. Поскольку в конечный результат входит множество величин, описывающих поглощение и образование нейтронов, ясно, что они по отдельности должны быть известны крайне точно, чтобы теоретические предсказания оказались возможны. Экспериментальные методы, разработанные к 1941 г., редко позволяли измерять свойства ядер с точностью лучше 10 %. Такие измерения не могли служить основой для вычислений, которые позволили бы получить надежный ответ на вопрос, возможна ли цепная реакция в системе из естественного урана и графита.

Если система имеет конечные размеры, то некоторое количество нейтронов ускользает из нее, диффундируя через граничные поверхности. Такая утечка нейтронов в принципе может быть сведена к нулю увеличением размеров системы. В 1941 г. было ясно, что даже если баланс нейтронов, необходимых для поддержания цепной реакции, и окажется положительным, то он будет настолько мал, что потребуется сооружение системы очень больших размеров, чтобы значительно уменьшить потерю нейтронов в результате утечки. Важное значение приобрела разработка методов, способных ответить на следующие вопросы: (1) Станет ли развиваться цепная реакция в системе урановых блоков, размещенных по графиту в виде решетки данного типа, если размеры системы будут бесконечно велики? (2) Если ответ на предыдущий вопрос положителен, то какие минимальные размеры потребуются в действительности для достижения цепной реакции? Такие минимальные размеры обычно называют критическими размерами котла. Метод подробных вычислений, основанный на измеренных значениях констант, не мог привести к цели – на это указывалось выше. Поэтому было необходимо разработать методы, которые давали бы ответ на поставленные вопросы более непосредственным образом.

Полагаясь лишь на силу и усердие, можно было бы начать сооружение системы данной структуры и продолжать это сооружение до тех пор, пока не будет фактически достигнута цепная реакция – или пока система, принявшая гигантские размеры, все-таки не откажется стать критической. Ясно, что такой метод потребовал бы громадных количеств материалов, времени и труда. К счастью, достаточно точный ответ на поставленные два вопроса возможно получить и с помощью довольно малого образца исследуемой структуры. Первые эксперименты такого типа, так называемые промежуточные или экспоненциальные эксперименты, были выполнены в Колумбийском университете летом и осенью 1941 г. Была создана решетчатая структура, состоявшая из банок с окисью урана, распределенных среди примерно 30 тонн графита. Снизу к этой структуре подводился первичный источник нейтронов и подробно исследовалось распределение нейтронов по объему структуры, которое затем сравнивалось с ожидаемым теоретически.

Результаты первого эксперимента были несколько расхолаживающими. Они указывали, что в системе данного типа, даже увеличенной до бесконечных размеров, баланс нейтронов будет все еще отрицательным, а выражаясь более точно – в каждом поколении будет теряться 13 % нейтронов. Несмотря на этот отрицательный ответ, надежда на успех не оставила нас. Действительно, можно было надеяться на значительные усовершенствования в первоначальной структуре, о которых будет рассказано ниже.

В начале 1942 г. все группы, работавшие над получением цепной реакции, были объединены в Металлургическую лабораторию Чикагского университета под общим руководством Артура Комптона. Там, в поисках улучшения условий первого опыта, в течение 1942 г. было выполнено около двадцати или тридцати экспоненциальных экспериментов. Улучшения шли по двум направлениям. Одно из них состояло в усовершенствовании размеров решетки, а второе – в использовании материалов лучшего качества. Оказалось, что и графит, и уран должны иметь необычайно высокую степень чистоты, так как паразитное поглощение элементов, обычно имевшихся в виде примесей к урану и графиту, вызывало потерю значительной части нейтронов. Проблема свелась к организации промышленного производства многих тонн графита и урана неслыханной ранее чистоты. Энергично развивалось также производство металлического урана. Вплоть до 1941 г. металлический уран производился в очень малых количествах и чаще всего сомнительной чистоты. Металлический уран выпускался по большей части в форме легковоспламеняющегося порошка, который в ряде случаев возгорался при контакте с воздухом. Спекание порошка в компактные блоки лишь немного уменьшало эти пирофорные свойства. Несколько таких блоков использовалось в экспоненциальных экспериментах, целью которых было получение информации о характеристиках систем, содержащих металлический уран. Пока шли эти опыты, блоки разгорелись настолько, что были горячими на ощупь, и мы побаивались, что они действительно могут сгореть до того, как будет окончен эксперимент.

К осени 1942 г. положение с производством материалов постепенно улучшилось. Объединенные усилия сотрудников Металлургической лаборатории и нескольких промышленных фирм помогли получать графит все лучшего и лучшего качества. Было организовано промышленное производство практически чистой окиси урана и получено некоторое количество литого металлического урана. Соответственно улучшились и результаты экспоненциальных экспериментов. Они показывали теперь, что, применяя эти сорта материалов более высокого качества, можно построить установку, в которой пошла бы цепная реакция.

Фактическое возведение первой такой установки было начато в октябре 1942 г. Было намечено построить решетчатую структуру шарообразной формы, поддерживаемую деревянной рамой. Эта структура должна была располагаться на кортах для игры в сквош спортивного городка Чикагского университета. Поскольку мы были не совсем уверены в том, что намеченные размеры окажутся достаточно велики, то структура возводилась внутри громадной оболочки из прорезиненной ткани. Если бы потребовалось избавиться от паразитного поглощения в атмосферном азоте, то оболочка могла быть загерметизирована, что позволило бы выкачать из нее воздух. На деле эта предосторожность оказалась излишней.

Сооружение котла заняло несколько более месяца. В строительстве участвовало большое число физиков, в том числе У. Зинн, Г. Андерсон и Р. Вильсон. Все это время с помощью измерений интенсивности нейтронов, образующихся внутри котла, постоянно контролировалось приближение к критическим условиям, условиям наступления цепной реакции. Некоторое, очень небольшое, количество нейтронов образуется из урана спонтанно. Когда размеры системы приближаются к критическим, то каждый из этих нейтронов на протяжении нескольких поколений образует конечное число новых нейтронов. Действительно, когда коэффициент размножения котла составляет, например, 99 %, то каждый нейтрон образует в среднем сто поколений. Таким образом, по мере приближения к критическим размерам плотность нейтронов в котле возрастает и стремится стать бесконечной при достижении критического размера. Прослеживание возрастания плотности нейтронов является, следовательно, методом уверенной экстраполяции оценки критического размера.

Заметно раньше того, как размеры структуры приняли первоначально намечавшуюся величину, измерения плотности нейтронов показали, что критические условия будут вскоре достигнуты. Начиная с этого момента велось тщательное наблюдение за работой, позволявшее быть уверенным в том, что критичность не наступит внезапно, когда не будут приняты должные меры предосторожности. В оставленные специально щели в структуре были вставлены кадмиевые полосы (кадмий является одним из наиболее сильных поглотителей нейтронов). Поглощение в кадмиевых полосах было достаточно велико, чтобы при введении их в котел цепная реакция не могла начаться. Каждое утро кадмиевые полосы постепенно, одна за другой, удалялись и производилось измерение плотности нейтронов. По результатам измерения можно было судить, насколько далеко от условий критичности мы находились.

Утром 2 декабря 1942 г. результаты измерений указывали на то, что критические размеры слегка превзойдены и что в системе не происходит цепная реакция только из-за поглощения в кадмиевых полосах. Этим утром были осторожно удалены все кадмиевые полосы, кроме одной. Затем, внимательно следя за интенсивностью, мы стали постепенно выводить последнюю полосу. Судя по результатам измерений, можно было ожидать, что система станет критической при выдвижении последней полосы примерно на восемь футов. Когда было выдвинуто около семи футов, то интенсивность возросла до очень большого значения, но через несколько минут все-таки задержалась на конечном уровне. Распоряжение выдвинуть полосу еще на полтора фута было отдано с некоторым трепетом: делался решающий шаг. Когда полтора фута полосы были удалены из котла, интенсивность начала подниматься сначала медленно, затем быстрее, и продолжала возрастать, пока не стало ясно, что она действительно может стать бесконечно большой. Тогда в структуру были снова введены кадмиевые полосы и интенсивность быстро упала до очень малого уровня.

Этот прототип установки, использующей цепную реакцию, оказался очень легким в управлении. Можно было очень точно установить интенсивность ее работы на желаемом уровне. Оператору оставалось только смотреть за показаниями индикатора интенсивности и вдвигать кадмиевые полосы, если интенсивность обнаруживала тенденцию к возрастанию, или выдвигать их, если интенсивность падала. Управлять котлом так же легко, как вести автомобиль по прямой дороге, подправляя руль всякий раз, когда автомобиль склонен повернуть направо или налево. Через несколько часов тренировки оператор может без затруднений удерживать интенсивность реакции постоянной с точностью до доли процента.

Первый котел не содержал никаких устройств для отвода тепла, образующегося при реакции, и не имел защиты от излучения, возникающего при делении. По этим причинам мощность, при которой мог работать котел, имела только символическое значение; она никогда не превышала двухсот ватт. Тем не менее с помощью первого котла было доказано, что цепная реакция в системе из графита и естественного урана возможна и что она легко управляема.

Для превращения этого нового ремесла в отрасль промышленности потребовалось еще очень много научных и инженерных разработок. Благодаря совместным усилиям всех сотрудников Металлургического проекта и компании «Дюпон» всего лишь примерно через два года после опытного запуска первого котла в Хэнфорде заработали первые большие котлы-заводы. Они работают практически на том же самом принципе и производят огромное количество энергии и относительно большие количества нового элемента, плутония.

Вскоре у Ферми появилась еще одна возможность высказать публично свои взгляды на атомную энергию. Его пригласили выступить на состоявшемся с 16 по 18 мая 1946 г. в Питтсбурге форуме, посвященном сотой годовщине со дня рождения Джорджа Вестингауза. Этот форум, названный «Наука и жизнь на Земле», был организован Образовательным фондом Вестингауза с целью суммирования итогов научного развития за годы войны и обсуждения следствий из них.

Темой своего выступления па секции «Будущее атомной энергии» Ферми выбрал мирное использование атомной энергии. Возможность использования реакторов для получения различных видов энергии заинтересовала Ферми уже па ранней стадии исследований. Он понимал, что хотя при этом встретятся большие технические, экономические и особенно политические трудности, но использование нейтронов и радиоактивных веществ в научной методике может привести к существенному увеличению объема знаний в самых различных областях. Интересно, что он, как и предыдущий оратор, Р. Оппенгеймер, упомянул о предложении организовать международное агентство по контролю за атомной энергией. Многие ученые из числа тех, кто разрабатывал атомную бомбу, после войны признали необходимость международного контроля и настаивали на его создании.

Г. Андерсон