«Цепь возможна и жизненна»
«Цепь возможна и жизненна»
Самой заветной, самой желанной целью в науке для Игоря Васильевича стала самоподдерживающаяся (цепная) реакция. Он коротко именовал ее «цепью». Выступая на семинарах, он не уставал повторять:
— Цепь возможна и жизненна.
Отысканием условий для нее занимались в физтехе, радиевом, педагогическом и, как мы увидим дальше, в институте химической физики. Л. И. Русинов определял количество нейтронов, вылетающих в результате акта деления каждого из изотопов урана. Уже было ясно, что тепловые нейтроны делят ядра только урана-235 и не делят ядра урана-238. Флеров и Петржак все-таки измерили порог энергии нейтронов, с которого они начинают делить ядра урана-238. Он оказался довольно высоким, этот порог — свыше одного мегаэлектрон-вольта. Значит, только быстрые нейтроны способны делить ядра изотопа, которого в естественном уране намного больше других, — 99,7 процента.
Игорь Васильевич тут же дал задание Татьяне Никитинской — проверить возможность самоподдерживающейся реакции в уране-238 на быстрых нейтронах. Вот его заключение по этой работе:
«Никитинская. „Неупругое рассеяние нейтронов и цепная ядерная реакция“.
Методы ионизационной камеры с урановыми электродами в качестве детектора нейтронов с энергией, большей 1 — 1,5 Мэв. Измерены сечения неупругого рассеяния в С, Al, Cu, Jn, Hg и Pb. Показано, что сечения неупругого рассеяния пропорциональны примерно А 2/3, где А — атомный вес рассеивателя. При помощи этого же метода показано, что цепная реакция на быстрых нейтронах на изотопе уран-238 невозможна».
Значит, нужны системы урана с замедлителями, которые бы давали возможность снизить скорости нейтронов до такой величины, которая необходима для эффективного деления ядер урана-235.
Игорь Васильевич уже не раз рисовал перед слушателями картину цепного процесса на уране-235. Нейтрон, сталкиваясь с ядром урана, вызывает деление, при этом вылетает три новых нейтрона. Пусть один из них будет поглощен примесями или вылетит за пределы данного объема урана и лишь два других вызовут акты деления. Все равно появятся пять нейтронов, из которых уже три вызовут деление, и т. д. Так развивается цепь. Если ее не ограничивать, произойдет гигантский взрыв. Если же не допускать возрастания числа нейтронов в единицу времени выше определенной величины, реакция будет протекать спокойно, она будет управляемой.
Во время одной из лекций, когда Игорь Васильевич рассказывал обо всем этом, его спросили:
— Во что же обошлась бы атомная бомба?
— Создать ее все равно, что построить еще один Волховстрой, — был ответ.
На совещании по физике атомного ядра в Харькове в 1939 году, по свидетельству И. В. Курчатова, наши ученые подробно обсуждали проблему деления тяжелых ядер и связанный с нею вопрос о возможности осуществления цепной ядерной реакции.
На аналогичном совещании в 1940 году этот вопрос снова был стержневым. О том, какой интерес вызывали проблемы ядра, говорит тот факт, что в совещании 1940 года участвовало свыше 200 специалистов. Было заслушано около 50 научных докладов.
Большое место на совещании отводилось теории. В частности, теории сил, действующих между частицами, из которых состоит ядро. Об этом докладывали член-корреспондент Академии наук СССР И. Е. Тамм и профессор Л. Д. Ландау.
Специальное заседание было посвящено изомерии ядер. Изучение этого явления позволило получить данные о различных состояниях атомных ядер. С докладом по этому вопросу выступил помощник Игоря Васильевича Л. И. Русинов, сделавший обзор современного состояния вопроса, а также сообщивший о работах в Ленинградском физико-техническом институте.
Но центральным на совещании был доклад Игоря Васильевича Курчатова. По воспоминаниям М. М. Бредова, доклад Курчатова «подводил черту под ядерной физикой „доделительного“ периода, которая рассматривалась некоторыми как отвлеченная область эквилибристических упражнений виртуозных физиков-экспериментаторов, очень далеких от жизни и техники. Доклад Курчатова указал путь к колоссальному техническому прогрессу, таящемуся в только что открытом явлении деления ядер урана».
Игорь Васильевич напомнил собравшимся все последние достижения в разработке проблемы деления ядра и, в частности, отметил, что за год, прошедший после совещания в Харькове, «...был продвинут вопрос о границах и сечениях деления... С определенностью установлено, что тепловые нейтроны производят деление только урана-235».
Участники совещания вспоминают, что Игорь Васильевич старался аргументировать каждое высказанное положение, показать, что гигантский выход энергии в реакции деления — не догадка, не голое предположение, а реальный факт.
В каждом разделе доклада были новые, самые последние сведения, так что даже специалисты по ядру получали пищу для размышлений. Так, повторив уже известное положение о вылете нейтронов при делении урана, о том, что на каждый акт деления приходится 2—3 нейтрона, Игорь Васильевич сообщил о задержании испускания нейтронов.
Откройте любой современный учебник по ядерной физике. В нем обязательно вы найдете раздел «Запаздывающие нейтроны». Часть нейтронов, которые испускаются ядром в результате делений, как бы запаздывают, испускаются не в момент деления, а некоторое время спустя. Именно благодаря этому явлению управление цепным процессом впоследствии оказалось сравнительно простой задачей. Словно природа нарочно так построила процесс деления ядер, чтобы облегчить приручение реакции. Открывающуюся возможность Игорь Васильевич подметил сразу же.
Так же много нового услышали участники совещания и о «цепи» — самоподдерживающейся ядерной реакции. «Цепь реальна и жизненна», — говорил Курчатов на семинарах. Ту же мысль он подчеркнул и на Всесоюзном совещании.
«После того как выяснилось, что каждый акт деления сопровождается вылетом по крайней мере двух нейтронов, стало возможным думать об осуществлении цепной реакции».
И далее: «Она (цепная реакция) могла бы быть реализована в том случае, если из сопровождающих деление нейтронов хотя бы один, в свою очередь, производил дальнейшее деление».
Игорь Васильевич говорил в докладе и о том, как практически получить цепь «для чистого урана и смеси урана с водой». Он подробно рассмотрел уран-водную систему и сформулировал условия для нее так: «Наиболее благоприятные условия для осуществления цепной реакции будут иметь место для вполне определенного соотношения числа атомов водорода и урана в смеси». Игорь Васильевич сослался на вывод из расчета возможности осуществить цепную реакцию в системе вода-уран, обогатив последний изотопом уран-235. Вот откуда идет исток современных уран-водных реакторов на обогащенном уране!
«Никаких ограничений в выборе систем для осуществления реакции» — таков девиз Игоря Васильевича. Недаром он тогда произнес знаменательную фразу: «Цепную реакцию деления изотопа урана-235 можно пытаться осуществить, пользуясь для замедления не только протонами, но и другими легкими ядрами». И как намек на направление поисков, звучит еще одно место доклада: «Вопрос о пригодности гелия, углерода, кислорода в качестве замедляющих ядер еще не выяснен до конца».
Ищите и найдете — как бы говорил Курчатов. Тем более что он прямо назвал углерод. Это же графит — замедлитель, с которым и была осуществлена первая цепная ядерная реакция!
Насколько широко советская наука уже тогда подходила к проблеме получения атомной энергии, можно видеть из анализа И. В. Курчатовым возможностей применения систем с тяжелой водой в качестве замедлителя.
В докладе отмечалось, что, используя обычную воду, можно получить цепь лишь на обогащенном уране, в котором сверх естественного содержания увеличен процент урана-235. Это значило, что надо сначала разделить изотопы, потом обогатить природный уран.
Тяжелая вода открывала иную перспективу.
Игорь Васильевич акцентировал внимание на том, что сечение захвата нейтронов дейтонами (ядра дейтерия, входящие в состав тяжелой воды) оказывается гораздо ниже, чем «критическое, которое было бы достаточно для развития цепей». Иными словами, замедляя нейтроны, тяжелая вода поглощает лишь незначительную их часть. Отсюда Курчатов делал вывод:
«Осуществление цепного распада урана-235 в необогащенной системе уран — тяжелый водород, следовательно, возможно».
Впрочем, тут же Курчатов говорит об огромных трудностях, стоящих на пути осуществления цепной реакции в системе с тяжелой водой в качестве замедлителя.
«В этой системе удается избежать разделения изотопов урана, но вместо этого возникает необходимость разделения изотопов водорода в больших количествах, так что реализация опыта и в этом случае сопряжена с большими практическими трудностями».
В докладе Курчатов разбирает также возможности цепной реакции на быстрых нейтронах в чистом уране. И это тоже говорит о его большой прозорливости. Ведь заряд будущих атомных бомб — это чистое ядерное горючее, которое делится под действием быстрых нейтронов,
Не случайно академик А. П. Александров впоследствии писал в «Правде»:
«Накануне Великой Отечественной войны измерения И. В. Курчатова показали, что на чистом уране-235 цепная реакция должна происходить без замедлителя — именно этот принцип позже был использован в ядерном оружии».
В заключение своего доклада Игорь Васильевич привел таблицу материалов, которые нужны для практического осуществления ядерной реакции, и наличие их во всех лабораториях мира. По расчетам советских ученых, для системы обогащенный уран — вода требуется 0,5 тонны урана, а его в лабораториях земного шара имелось... две тысячных миллиграмма. Для системы обычный уран — тяжелая вода предполагаемая потребность составляла 15 тонн тяжелой воды, а ее было во всех странах 0,5 тонны.
Это-то и заставило Игоря Васильевича в конце доклада заявить: «В заключение я еще раз хотел бы подчеркнуть, что хотя принципиально вопрос об осуществлении цепного ядерного распада и решен в положительном смысле, но на пути его практической реализации в исследованных сейчас системах возникают громаднейшие трудности... Быть может, ближайшие годы принесут нам другие пути решения задачи, но если этого не случится, то только новые, очень эффективные методы разделения изотопов урана или водорода обеспечат осуществление цепной ядерной реакции».
В этом заключении все — правда. И то, что ближайшие годы могут принести новое, — они принесут уран-графитовые системы, которые сам же Курчатов блестяще претворит в жизнь.
Справедлив и вывод о важности процессов эффективного разделения изотопов урана и водорода — эти процессы нашли сейчас широкое применение в атомной промышленности.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.