Генри Смит - Атомная энергия для военных целей
4.17. Значение последнего, согласно отчету Ферми на заседании Секции урана осенью 1941 года, было около 0,87. Такое значение основывалось на результатах, полученных из второго промежуточного эксперимента в Колумбии. Все считали, что коэффициент размножения можно увеличить путем увеличения химической чистоты материалов, различных усовершенствований решетки и т. д., но никто не мог утверждать с достоверностью, что k можно будет сделать большим единицы.
ОПЫТЫ С БЕРИЛЛИЕМ4.18. Примерно в то же время, когда были начаты работы по изучению резонансного поглощения в Принстоне, С.К. Алисон, по предложению А.X. Комптона, начал в Чикаго работу по договору, действовавшему в период с 1 января по 1 августа 1941 г. Работа преследовала две цели: (а) изучение увеличения возникновения нейтронов в том случае, когда котел окружен бериллиевой оболочкой или «рефлектором», и (b) исследование поперечных сечений взаимодействия нейтронов с бериллием. 18 июля 1941 г. был заключен новый договор сроком до 30 июня 1942 г. Здесь была поставлена несколько более широкая цель — общее исследование систем уран-бериллий-углерод. Отпущенные ассигнования были скромны: 9500 долларов на первый контракт и 30 000 долларов — на второй.
4.19. Как было уже указано в главе II, бериллий обладает желательными свойствами в качестве замедлителя, благодаря своему малому атомному весу и небольшому поперечному сечению поглощения нейтронов; кроме того, возможно увеличение числа нейтронов в бериллии в результате реакции (n, 2n). Точное значение поперечного сечения было неизвестно; кроме того, далеко не было уверенности в том, что можно будет получить сколько-нибудь большие количества чистого бериллия. Проблема, стоявшая перед Алисоном, была в основном аналогична колумбийской проблеме, только вместо графита применялся бериллий. Из-за недостатка бериллия было предложено, чтобы он применялся вместе с графитом или каким-либо другим замедлителем, по возможности в качестве рефлектора.
4.20. В чикагских экспериментах нейтроны, получавшиеся с помощью циклотрона, направлялись в котел из графита и бериллия.
Алисон выполнил ряд измерений по замедлению нейтронов и поглощению их графитом, что являлось ценным контролем аналогичных измерений в Колумбии. Ему, наконец, удалось получить бериллий в количестве, достаточном для выполнения важных измерений, которые показали, что бериллий может служить замедлителем, сравнимым с графитом. Однако, в действительности бериллий совсем не применялся в широких масштабах, ввиду больших трудностей получения его в больших количествах и в нужном виде.
4.21. Чикагский проект, описанный выше, стал частью проекта Металлургической лаборатории, основанной в Чикагском университете в начале 1942 г.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ РАБОТА4.22. Как промежуточные эксперименты в Колумбии, так и продолжавшиеся работы по резонансному поглощению в Принстоне требовали тонкого научного истолкования. Ферми создал теорию «экспоненциальных» опытов, а Вигнер — теорию резонансного поглощения; оба ученые постоянно совещались между собой и участвовали в решении многих проблем. Уилер (Принстон), Брейт (Висконсин) и Экарт (Чикаго) также сделали вклад в общую теорию котла и смежных проблем. Можно сказать, что общая теория цепной реакции для медленных нейтронов к концу 1941 г. была вполне ясна. Оставались неопределенными лишь числовые константы и технологические возможности.
4.23. Была также значительно развита теория реакции на быстрых нейтронах в уране-235. В частности, были произведены новые оценки критических размеров, и было предсказано. что, возможно, 10 процентов полной энергии освободится в виде взрыва.
Исходя из этой оценки, один килограмм U-235 должен быть эквивалентен 2000 тонн тринитротолуола. Ниже дается обзор результатов по докладу Национальной Академии Наук. Вспомним, что при этом возникали два вопроса: (1) какая часть энергии деления ядра освободится, прежде чем остановится реакция? (2) насколько разрушителен будет такой в высшей степени концентрированный взрыв?
РАБОТА НАД ПЛУТОНИЕМ4.24. В главе I упоминалось о предположении (1), что элемент 94, позже названный плутонием, образуется в результате двух последовательных β-распадов U-239, происходящих в результате поглощения нейтронов ураном U-238, и (2) что плутоний, вероятно, испускает α-частицы, обладает длительным периодом полураспада и претерпевает деление при бомбардировке нейтронами. Летом 1940 г. группе ядерной физики университета с Беркли (Калифорния) было предложено воспользоваться нейтронами, даваемыми мощным циклотроном, для того, чтобы получить плутоний, отделить его от урана и исследовать его способность к делению. С этой целью Э. Сегре, Дж. Т. Сиборг, Дж. В. Кеннеди и А.К. Валь (Беркли) до 1941 года произвели различные эксперименты, о которых Э.О. Лоуренс сообщил Комитету Национальной Академии Наук (см. ниже) в мае 1941 г.; они были также изложены в записке, включенной во второй доклад Комитета от 11 июля 1941 г. Как будет видно ниже, эта записка содержит одну важную мысль, которая специально не подчеркивалась другими (параграф 1.58), а именно мысль о массовом производстве плутония для применения в атомной бомбе.
4.25. Приводим из записки Лоуренса следующую выдержку:
«Со времени опубликования первого доклада Комитета Академии Наук по делению ядра была открыта новая огромной важности возможность использования цепной реакции с неразделенными изотопами урана. Эксперименты в лаборатории излучения Калифорнийского университета показали: (а) что элемент 94 образуется в результате захвата нейтрона ураном-238, сопровождаемого двумя последовательными β-превращениями и, кроме того, (b) что этот трансурановый элемент претерпевает деление под действием медленных нейтронов и поэтому ведет себя, должно быть, подобно U-235.
Отсюда следует, что если осуществлена цепная реакция с неразделенными изотопами, то можно вести ее достаточно интенсивно и пользоваться ею специально для производства элемента 94 в значительных количествах. Это вещество могло бы быть выделено средствами обычной химии и вероятно, что оно эквивалентно урану-235 в осуществлении цепной реакции.
Если это так, то открываются три важнейшие возможности:
1. Уран-238 был бы пригоден для производства энергии, что увеличило бы общую атомную энергию, получаемую из данного количества урана, примерно в сто раз.
2. Учитывая применение элемента 94, можно предвидеть изготовление небольших установок цепной реакции для энергетических целей, весящих, быть может, сто фунтов вместо ста тонн, которые, вероятно, потребовались бы для установок с применением естественного урана.
3. Если бы элемент 94 имелся в больших количествах, вполне вероятно, что могла бы быть осуществлена цепная реакция с помощью быстрых нейтронов. В такой реакции энергия освобождалась бы со скоростью взрыва, и соответствующая система могла бы быть охарактеризована термином «сверхбомба».»
РАДИОАКТИВНЫЕ ОТРАВЛЯЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА4.26. Как указывалось выше, осколки, образовавшиеся в результате деления, в большинстве случаев представляют собою неустойчивые ядра, т. е. искусственно радиоактивные вещества. Общеизвестно, что излучения радиоактивных веществ производят очень вредное действие, подобное действию рентгеновских лучей.
4.27. В котле, в котором протекает цепная реакция, образуются радиоактивные продукты деления (на практике они принесли больше всего затруднений). Так как химически они отличаются от урана, их можно было бы выделить и применять как ядовитые газы особо сильного действия. Эта мысль упоминалась в докладе Академии Наук (см. параграф 4.48) и была развита в докладе, написанном 10 декабря 1941 г. Э. Вигнером и Г.Д. Смитом, которые пришли к выводу, что продуктов деления, полученных за время однодневной работы котла цепной реакции мощностью в 100 000 kW, было бы достаточно для того, чтобы большую площадь превратить в пустыню.
4.28. Вигнер и Смит не рекомендовали применения радиоактивных отравляющих веществ, не рекомендовали этого и ответственные представители властей, но серьезному рассмотрению подвергся вопрос о возможности неожиданного применения немцами радиоактивных отравляющих веществ, и были намечены соответствующие меры защиты.
РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ
4.29. В главе I было указано, что в результате частичного разделения небольших количеств изотопов урана в масс-спектрографе А.О. Нира и изучения ядерных свойств образцов было установлено, что деление урана под действием тепловых нейтронов следует приписать изотопу U-235. Дополнительно небольшие количества были доставлены Ниром летом 1941 г. и изучены Н.П. Гейденбургом и другими в руководимой М.А. Тьювом лаборатории отделения земного магнетизма Института Карнеги в Вашингтоне. Но результаты этих опытов были лишь предварительными и было, очевидно, желательно дальнейшее изучение более крупных и более тщательно разделенных образцов.
