Генри Смит - Атомная энергия для военных целей
6.27. К осени 1942 года в Чикаго можно было получить достаточно графита, окиси урана и металлического урана для того, чтобы сделать попытку построить настоящий котел с саморазвивающейся цепной реакцией. Однако, количество имевшегося в распоряжении металлического урана было мало только около 6 тонн, да и другие материалы также имелись не в изобилии и были различного качества. Именно эти условия, больше, чем оптимальная эффективность, определяли проектирование.
6.28. Котел был построен с графитом в качестве замедлителя и блоками металлического урана или окиси в качестве реагирующих элементов, правильно расположенными в графите в виде решетки. Приборы, расположенные в различных точках котла или вблизи его, указывали интенсивность нейтронов, а передвижные стержни из поглощающего вещества служили для управления (более полное описание котла дано в Приложении 4). Так как в котле неизбежно существуют нейтроны спонтанного деления или других источников, было ясно, что реакция начнется тотчас же, как только конструкция достигнет критических размеров, если управляющие стержни не будут поставлены в положение «задержки». Вследствие этого, управляющие стержни ставились в соответствующее положение «задержки» с самого начала, и интенсивность нейтронов часто измерялась. Это оказалось счастливым обстоятельством, так как обнаружилось, что подход к критическому состоянию происходит на более ранней стадии сборки, чем это предполагалось заранее.
6.29. Впервые котел начал действовать 2 декабря 1942 г. Насколько нам известно, это был первый случай, когда человеку удалось создать самоподдерживающуюся ядерную цепную реакцию. Первоначально котел действовал при мощности в 1/2 W, но 12 декабря мощность была повышена до 200 W.
ЭНЕРГИЯ, ВЫДЕЛЯЮЩАЯСЯ В КОТЛЕ6.30. При этих экспериментах прямых измерений выделяющейся энергии не производилось. Число нейтронов, испускаемых котлом в секунду, выражалось через активность стандартных листочков индия. По известному числу нейтронов, освобождаемых на каждое деление, вычислялось количество выделяющейся энергии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ6.31. Эксперимент, осуществленный 2 декабря как раз тогда, когда Обзорный комитет оценивал Чикагский проект, давал не оставляющий и тени сомнения ответ на первый вопрос, стоявший перед Металлургической лабораторией: самоподдерживающаяся ядерная цепная реакция была получена в установке, применяющей нормальный уран. Эксперимент был выполнен под общим руководством Э. Ферми с помощью, главным образом, групп, возглавляемых У. Г. Цинном и Г. Л. Андерсоном. На обязанности В. К. Вильсона и его группы лежала в основном разработка приборов и органов управления; многие другие работники этой лаборатории способствовали успеху всей этой работы.
ЗАВИСИМОСТЬ МЕЖДУ МОЩНОСТЬЮ И ПРОИЗВОДСТВОМ ПЛУТОНИЯ6.32. Непосредственной целью постройки урано-графитового котла было доказать, что существуют условия, при которых произойдет цепная реакция; конечной же целью лаборатории было производство плутония при помощи цепной реакции. Поэтому интересно найти зависимость между мощностью, при которой котел работает, и количествами производимого им плутония. В первом приближении эту зависимость можно оценить довольно легко. Устойчиво работающий котел должен производить столько же нейтронов, сколько он их теряет. На каждый тепловой нейтрон, поглощенный ураном-235, испускается определенное число η нейтронов. Для поддержания цепной реакции необходим один из этих нейтронов. Отсюда предполагая, что все остальные нейтроны поглощаются ураном-238 для образования плутония, получим, что на каждое деление будет образовано η-1 атомов Pu−239.
Каждое деление приближенно освобождает 200 MeV энергии. Поэтому образование η-1 атомов плутония сопровождается освобождением около 200 MeV. Так как η-1 малое число, то видно, что для производства в котле одного килограмма плутония в день необходимо, чтобы котел освобождал от 500 000 до 1 500 000 kW энергии. Первый котел, который мы только что описывали, имел мощность 200 W. Считая, что одна бомба потребует от одного до 100 кг плутония, мы приходим к выводу, что описанный котел должен был бы непрерывно действовать по меньшей мере 70 000 лет для того, чтобы произвести одну бомбу. Очевидно, количественная проблема производства плутония еще не была решена.
ХИМИЯ ПЛУТОНИЯ6.33. Второй специальной задачей Металлургической лаборатории было показать, что если цепная реакция получится, то можно будет отделить плутоний химическим путем от других веществ, вместе с которыми он находится. Успехи в достижении этой цели были меньше, чем в осуществлении цепной реакции. Сначала Металлургическая лаборатория мало занималась химическими вопросами, хотя задача выделения плутония обсуждалась на конференции вскоре после того, как был организован Металлургический проект и была стимулирована работа группы Сиборга по плутонию в Калифорнийском университете. 22–23 апреля 1942 г. состоялась общая конференция по химии в Чикаго, на которой присутствовали: Ф. Г. Спединг, Э. В. Тиле, Дж. Т. Сиборг, Дж. В. Кеннеди, Г. К. Юри, Э. Вигнер, Н. Хнлбери, Дж. Э. Бойд, И. Б. Джонс, Г. А. Вильгельм, И. Перльман, А. К. Валь и Дж. А. Уилер. Открывая собрание, Спединг подчеркнул, что перед химиками стоят две главные задачи: первая выделить плутоний в достаточных количествах и достаточной чистоты, необходимых для военных целей; вторая добиться хорошей разработки тех вопросов химии, которые необходимы для постройки и эксплоатации котла. Проблема выделения плутония должна была изучаться новой группой под руководством Сиборга в Чикаго, Джонсоном и Вильгельмом в Эймсе и Валем и Кеннеди, продолжающими работу в Калифорнии. Другими группами, близко примыкающими к указанным в Чикаго, были: группа К. Д. Корайла, работающая над вопросами химии продуктов деления, и группа Бойда, занятая аналитическими проблемами. С того времени группа химии в Чикаго быстро разрослась. Для размещения ее в конце 1942 года пришлось построить специальное здание, которое впоследствии было расширено. В общем, разрешение многих химических вопросов было одним из наиболее замечательных достижений Металлургической лаборатории.
6.34. Первым открытым и изученным изотопом плутония был не изотоп 239. а изотоп 238, испускающий α-лучи и имеющий период полураспада около 50 лет. U-238, бомбардируемый дейтронами, дает 93Np238, который испытывает β-распад, превращаясь в 94Pu238 (см. рис. 1 на стр. 18). Первое доказательство действительного существования этих новых элементов (устраняющее первоначальную ошибочную интерпретацию расщепления урана, как доказательства их существования) было получено Э. Макмилленом и П. Г. Абельсоном, которые выделили 93Np238 из урана, бомбардируемого дейтронами циклотрона в Беркли. Этот новый элемент был отожествлен, как β-излучатель, но образец был слишком мал, чтобы можно было выделить дочерний продукт 94Pu238. Позднее было изготовлено достаточное количество Pu−238, что позволило Сиборгу, Кеннеди и Валю начать изучение его химических свойств зимою 1940–1941 г.г., применяя химию радиоактивных индикаторов с носителями, как это обычно практикуется в радиохимии. Такое изучение позволило определить многие химические свойства плутония, и было развито несколько возможных химических процессов, посредством которых Pu−239 может быть выделен из урана. Успехи этих экспериментов с радиоактивными индикаторами привели к решению производить достаточное количество Pu−239, чтобы обрабатывать его, как обычное вещество, в ультра-микрохимическом масштабе. Такие количества были получены продолжительной бомбардировкой нескольких сот фунтов уранил-нитрата нейтронами, полученными с помощью циклотронов, впервые в Беркли и позднее в Университете Вашингтона в Сен-Луи.
К концу 1942 года было получено немного более 500 мкг в виде чистых солей плутония. Хотя это количество меньше, чем необходимо для изготовления головки ударника, оно позволило микрохимикам получить значительные сведения, так как химики считают, что для проведения экспериментов по взвешиванию, титрованию, изучению растворимости и т. д. достаточно одного микрограмма.
6.35. Исходя из положения плутония в периодической таблице, можно было ожидать его сходства с редкими землями или ураном, торием или осмием. С каким из них он более схож, зависит, конечно, от расположения внешних электронов, а это расположение вряд ли могло быть предсказано. В результате оказалось, что плутоний более похож на уран, чем на любой другой из названных элементов, и его даже можно рассматривать, как второй член нового ряда редких земель, начинающегося с урана. Довольно рано было открыто, что имеются, по крайней мере, две степени окисления плутония (теперь известно, что имеются четыре отвечающие положительным валентностям 3, 4, 5 и 6). Успешное изготовление некоторых солей плутония микрохимическим путем и изучение их свойств привели к общему заключению, что плутоний можно отделить химическим путем от других веществ в котле. Это заключение является решением второй неотложной задачи Металлургической лаборатории. Таким образом, к концу 1942 г. плутоний, совершенно неизвестный 18 месяцев ранее, считался элементом, химические свойства которого были так же хорошо изучены, как и свойства ряда давно известных элементов периодической системы.
