Атомная энергия для военных целей

РЕЗУЛЬТАТЫ БОМБАРДИРОВКИ ЯДЕР

1.42. Большинство атомных ядер может допускать проникновение атомных частиц по меньшей мере одного типа (или γ-излучения). Каждое такое проникновение может вызвать перегруппировку ядра, во время которой выбрасывается основная частица (протон или нейтрон) или происходит излучение, либо осуществляется то и другое. Получившееся в результате ядро может оказаться одним из естественных устойчивых видов или, что более вероятно, атомом иного типа, который радиоактивен и превращается в новое ядро. Это последнее, в свою очередь, может быть радиоактивным и в этом случае опять будет распадаться. Процесс продолжается до тех пор, пока все ядра не превратятся в устойчивые. Искусственные радиоактивные вещества отличаются от естественных в двух отношениях: многие из них испускают позитроны (неизвестные в естественной радиоактивности) и очень немногие испускают α-частицы. Во всех случаях, когда производились точные измерения, была доказана эквивалентность массы и энергии и постоянство общей суммы массы-энергии. (Иногда для сохранения массы-энергии необходимо привлечь для рассмотрения нейтрино).

ОБОЗНАЧЕНИЕ ЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ

1.43. Полное описание ядерной реакции должно включать: природу, массу и энергию ударяющей частицы, затем природу (массовое число и атомный номер), массу и энергию (обычно нулевую) частицы-мишени, далее, природу, массу и энергию выброшенной частицы (или излучения) и, наконец, природу, массу и энергию остатка. Но все это редко известно, и для многих целей полное описание не является необходимым. Часто для ядерной реакции пользуются обозначением, в котором сперва обозначена мишень химическим символом и массовым числом (если оно известно), затем частица, служащая для бомбардировки в качестве снаряда, далее, частица, которая выбрасывается, и, наконец, остаток. По этой схеме нейтрон обозначается буквой n, протон буквой p, дейтрон d, α-частица α и γ-лучи γ. Таким образом радие-бериллиевая нейтронная реакция может быть записана так: Be9 (d, n)C12, а дейтрон-дейтронная реакция так: Н2 (d, n)He3.

ТИПЫ РЕАКЦИЙ

1.44. Рассматривая пять различных частиц (n, p, d, α, γ) как в качестве снарядов, так и в качестве испускаемых частиц, мы можем ожидать осуществления двадцати пяти возможных сочетаний. В действительности же дейтрон в качестве продукта реакции встречается очень редко, а фотон вызывает реакции только двух типов. Существует, однако, несколько других типов реакций, такие как (n, 2n), (d, H2) и деление, которые доводят общее количество известных типов до приблизительно двадцати пяти. Стоит особо упомянуть о реакции (n, γ), так как она весьма важна в одном процессе, который будет нас особенно интересовать. Она часто называется реакцией радиационного захвата, так как нейтрон остается в ядре, и испускается лишь γ-излучение.

ВЕРОЯТНОСТЬ И ПОПЕРЕЧНОЕ СЕЧЕНИЕ

1.45. До сих пор ничего не было сказано о вероятности ядерных реакций. В действительности, вероятность меняется в широких пределах. Нет никакой гарантии того, что нейтрон или протон, направленный в ядро, проникнет внутрь него. Это зависит от ядра и от ударяющей частицы. В ядерной физике вероятность какого-нибудь события принято выражать при помощи «поперечного сечения». Статистически, центры атомов в тонком слое можно рассматривать как точки, равномерно распределенные по плоскости. Частица, направленная в атом, ударяясь в эту плоскость. имеет определенную геометрическую вероятность того. что центр ее пройдет внутри круга радиуса к с центром в какой-нибудь из этих точек. Если на площади А плоскости имеется № атомных центров, то эта вероятность есть nπr2/А, что является просто отношением суммарной площади всех кружков радиуса r описанных вокруг точек, ко всей площади. Если рассматривать атомы как непроницаемые стальные диски, а ударяющуюся частицу как пулю пренебрежимо малого диаметра, то это отношение есть вероятность попадания пули в какой-нибудь стальной диск, т. е. вероятность остановки атомного снаряда слоем. Если предметом измерения служит доля тех из ударяющих частиц, которые проходят сквозь слой, то полученное поперечное сечение можно назвать полным тормозным поперечным сечением атомов. Это понятие можно распространить на всякое взаимодействие между ударяющей частицей и атомами мишени. Например, вероятность того, что α-частица, попавшая в мишень-бериллий, вырвет из ядра нейтрон, можно заменить эквивалентным поперечным сечением бериллия для реакции этого типа.

1.46. В ядерной физике принято считать, что диаметры сталкивающихся частиц пренебрежимо малы. Поэтому научное определение поперечного сечения для любого ядерного процесса выражается так:

число происходящих процессов / число первоначальных частиц = (число ядер в мишени на см2) × (поперечное сечение ядра в см2),

Следует заметить, что это определение дано для поперечного сечения на ядро. Поперечные сечения могут быть вычислены для любого процесса, например, для захвата, рассеяния, вырывания нейтронов и т. д. Во многих случаях число частиц, испускаемых или рассеиваемых в ядерных процессах, не измеряется непосредственно; измеряют только ослабление параллельного пучка первоначальных частиц, вызванное помещением на его пути определенного вещества известной толщины. Поперечное сечение, полученное таким путем, называется полным поперечным сечением и обозначается буквой σ.

1.47. Как указывалось в параграфе 1.11, диаметр ядра имеет порядок 10-12 см. Мы можем поэтому ожидать, что для ядерных реакций поперечные сечения будут порядка πd2/4 или, грубо 10-24 см2, и эта величина обычно служит единицей для их выражения. Фактически же наблюдаемые поперечные сечения меняются в очень широких пределах. Так, для медленных нейтронов в реакциях (n, γ), поперечное сечение в некоторых случаях достигает величины 100010-24 см2 у а для превращений, происходящих в результате поглощения γ-лучей, поперечные сечения имеют порядок 1/100010-24 см2.

ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ В 1939 г.

НЕБОЛЬШОЙ МАСШТАБ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

1.48. Мы говорили свободно об эквивалентности массы и энергии и о ядерных реакциях, таких, например, как реакция действия протонов на литий, когда высвобождается энергия в сравнительно больших количествах. Теперь спросим себя, почему атомные силовые установки не возникли во всем мире в тридцатых годах? В конце концов, коль скоро мы можем получить 2,7610-8 эрг из атома лития, разрушенного протоном, мы могли бы ожидать получения, примерно, полмиллиона киловатт-часов, комбинируя один грамм водорода с семью граммами лития. Это выглядит заманчивее, чем сжигание угля. Трудности заключаются здесь в получении быстрых протонов и в управлении освобождаемой энергией. Все эксперименты, о которых мы говорили, были проделаны с весьма малыми количествами веществ, которых, конечно, было достаточно много по количеству атомов, но бесконечно мало в обычных единицах массы не тонны или граммы, а миллионные доли грамма. Величина энергии, требовавшейся для выполнения эксперимента, была всегда значительно больше энергии, освобождаемой в процессе ядерной реакции.

1.49. Нейтроны весьма действенны для осуществления ядерного распада. Почему они не применялись? Если их первоначальным источником был пучок ионов, обстреливающий мишень, то имели место ограничения, разобранные в предыдущем параграфе. Если же применялся радиево-бериллиевый источник, то трудность состояла в том, что радий встречается в природе в очень малых количествах.

НЕОБХОДИМОСТЬ ЦЕПНОЙ РЕАКЦИИ

1.50. Обычные наши источники энергии, кроме солнца и воды, суть химические реакции сжигание угля и нефти. Эти реакции освобождают энергию в результате перегруппировок в внешних электронных оболочках атомов тот же процесс, который дает энергию нашему телу. Горение есть самораспространяющийся процесс; так, если зажечь спичку, то выделившегося тепла хватит для воспламенения окружающего топлива, которое выделит еще тепло, зажигающее топливо дальше, и т. д. В описанных нами выше ядерных реакциях это, вообще говоря, не так: ни выделившейся энергии, ни вновь образовавшихся частиц не достаточно для поддержания реакции. Но мы можем представить себе ядерные реакции, сопровождающиеся испусканием частиц того же вида, что и частицы, вызвавшие эти реакции, и притом в количестве, достаточном для продолжения реакции в соседних ядрах. Такая саморазвивающаяся реакция называется «цепной реакцией», и такие условия должны быть достигнуты, если энергию ядерных реакций мы желаем применять в большом масштабе.

ПЕРИОД ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.51. Хотя в тридцатых годах атомные силовые установки не были построены, было много открытий в области ядерной физики и достаточно много чисто теоретических работ. Г. Бете выдвинул теорию для объяснения образования теплоты солнца посредством цикла ядерных превращений, в которых участвуют углерод, водород, азот и кислород; этот цикл реакций в конечном счете при- водит к образованию гелия.

(Ряд постулированных реакций был такой:

Конечный результат превращение водорода в гелий и позитроны (обозначенные через ₁e0) и выделение около тридцати миллионов электрон-вольт энергии.)

Теперь эта теория общепринята. Открытие нескольких ядерных реакций типа (n, 2n) (т. е. реакций, которые вызываются нейтронами и сами производят нейтроны) указывало на то, что при соответствующих условиях может начаться саморазвивающаяся цепная реакция. Много было разговоров об атомной энергии; некоторые рассуждения велись также и об атомных бомбах. Но последний важный шаг в этот подготовительный период был сделан лишь после четырех лет ошибок и исканий. Некоторые талантливые физики исследовали действие бомбардировки нейтронами ядер урана, самого сложного из всех известных элементов. Результаты были поразительны, но вызвали недоумение. История их постепенного истолкования представляет собой запутанный и сугубо специальный, но увлекательный рассказ о теории и эксперименте. Оставляя в стороне ранние несостоятельные объяснения, мы сразу перейдем к окончательному объяснению, которое, как это часто бывает, сравнительно просто.

ОТКРЫТИЕ ДЕЛЕНИЯ ЯДЕР УРАНА

1.52. Как уже упоминалось, нейтрон оказался частицей, наиболее пригодной для осуществления ядерных превращений. Особенно это относилось к элементам с самыми высокими атомными номерами и атомными весами; у этих элементов большой заряд ядра обусловливает значительные отталкивательные силы, действующие на дейтроны или протоны, но не действующие на незаряженные нейтроны. Результаты бомбардировки урана нейтронами оказались интересными и загадочными. Изученные впервые в 1934 г. Ферми и его сотрудниками, эти результаты были правильно объяснены лишь через несколько лет.

1.53. 16 января 1939 года Нильс Бор (Копенгаген, Дания) прибыл в США, чтобы провести несколько месяцев в Принстоне (Нью-Джерси); он с нетерпением ждал случая обсудить некоторые теоретические вопросы с А. Эйнштейном. (Четыре года спустя Бор вынужден был бежать из оккупированной нацистами Дании на маленьком пароходе). Как раз перед тем, как Бор покинул Данию, двое из его сотрудников О. Р. Фриш и Л. Мейтнер (оба эмигранты из Германии) поделились с ним своей догадкой о том, что поглощение нейтрона ядром урана иногда вызывает расщепление этого ядра на две приблизительно равные части, сопровождающееся освобождением колоссальных количеств энергии; этот процесс стал вскоре называться «делением» ядра. Поводом для этой гипотезы послужило важное открытие О. Гана и Ф. Штрасмана в Германии (опубликовано в первых числах января 1939 г. в журнале Naturwissenschaften), которые доказали, что при действии нейтронов на уран получается изотоп бария. Немедленно по приезде в Соединенные Штаты Бор сообщил эту мысль своему ученику Дж. А. Уилеру и другим в Принстоне, а от них эта новость постепенно стала известна физикам соседних городов, в частности Э. Ферми в Колумбийском университете. В результате бесед между Ферми, Дж. Р. Данингом и Дж. Б. Пеграмом, в Колумбии были предприняты поиски больших ионизационных импульсов, которых следовало ожидать от летящих осколков уранового ядра. 26 января 1939 г. в Вашингтоне состоялась конференция по теоретической физике, созванная Вашингтонским университетом и институтом Карнеги в Вашингтоне. Ферми покинул Нью-Йорк, чтобы принять участие в этой конференции, раньше, чем были проделаны в Колумбийском университете опыты по делению ядра.

На конференции Бор и Ферми обсуждали проблему деления, и, в частности, Ферми упомянул, что могут испускаться нейтроны. Хотя это было лишь догадкой, из нее с очевидностью вытекала возможность цепной реакции. По вопросу о делении в печати был опубликован ряд сенсационных статей. Прежде чем конференция в Вашингтоне закончилась, было предпринято несколько других экспериментов, чтобы подтвердить наличие деления ядер, и в четырех лабораториях (Колумбийский университет, Институт Карнеги в Вашингтоне, Университет Джона Гопкинса, Калифорнийский университет) это было экспериментально подтверждено, о чем сообщалось в Physical Review от 15 февраля 1939 г. К этому времени Бор узнал о том. что подобные же эксперименты были произведены в его лаборатории в Копенгагене около 15 января. (Письмо Фриша в Nature, от 16 января 1939 г., опубликованное в номере от 18 февраля). В Comptes Rendus (Париж) 30 января 1939 г. Ф. Жолио также опубликовал свои первые результаты.

С тех пор непрерывный поток научных докладов о делении ядер не прекращался, так что к тому времени, когда Тэрнер написал большую обзорную статью на эту тему (6 декабря 1939 г.), напечатанную в Reviews of Modern Physics появилось уже около сотни научных докладов. Полный анализ и обсуждение этих работ даны в статье Тэрнера и в других местах.

ОБЩЕЕ РАССМОТРЕНИЕ ВОПРОСА О ДЕЛЕНИИ

1.54. Рассмотрим предположение Фриша и Мейтнер в свете двух главных закономерностей, обнаруженных в строении ядра: во-первых, относительное число нейтронов в ядре возрастает с атомным номером; во-вторых, энергия связи, отнесенная к частице, достигает максимума для ядер с промежуточными атомными номерами. Допустим, что ядро U-238 распалось точно пополам (рис. 2); тогда, пренебрегая массой первоначального нейтрона,

Рис. 2

мы получим два ядра с атомным номером 46 и массовым числом 119. Самый тяжелый устойчивый изотоп палладия (Z=46) имеет массовое число лишь 110. Следовательно, чтобы достигнуть устойчивости, два воображаемые новые ядра должны выбросить девять нейтронов, превратившись в ядра ₄₆Pd110; или четыре нейтрона в каждом ядре должны превратиться в протоны, испуская электроны, тем самым образуя устойчивые ядра олова с массовым числом 119 и атомным номером 50; могут осуществиться и другие какие-либо комбинации этих испусканий и превращений, дающие некоторые новые пары устойчивых ядер. В действительности, как показали Ган и Штрасман на примере бария (Z=56, A= от 135 до 140), как продукта деления, расщепление происходит таким образом, что получаются две неравные части с массовыми числами около 140 и 90, с испусканием нескольких нейтронов и последующим радиоактивным распадом путем испускания электронов, которое не прекращается до тех пор, пока не образуются устойчивые ядра. Вычисления на основании данных об энергии связи показывают, что всякая такая перегруппировка дает общую результирующую массу, значительно меньшую, чем первоначальная масса ядра урана, и таким образом должно освободиться большое количество энергии.

1.55. Очевидно, из явления деления вытекали три главные следствия: освобождение энергии, получение радиоактивных веществ и возможность нейтронной цепной реакции. Выделившаяся энергия могла обнаружиться в кинетической энергии осколков деления и в последующем радиоактивном распаде продуктов. Возможность нейтронной цепной реакции зависела от того, выбрасывались ли фактически нейтроны, что нуждалось в исследовании.

1.56. Таковы были задачи, возникшие благодаря открытию деления. О характере этих задач сообщалось в журналах в 1939 и 1940 г.г., а с тех пор результаты исследований в значительной мере сохранялись в тайне. Изучение самого процесса деления, ядер, включая получение нейтронов и быстрых осколков, выполнялось в основном физиками с помощью счетчиков, камер Вильсона и т. д. Изучение продуктов деления и определение их природы производились главным образом химиками, которым приходилось быстро разделять субмикроскопические количества веществ и совершать повторные определения периодов полураспада неустойчивых изотопов.

Резюмируем состояние научных знаний к июню 1940 года.

Основные факты о ядерном делении открыты и сделаны достоянием научного мира. Цепная реакция не осуществлена, но ее возможность по крайней мере в принципе ясна, и намечены несколько путей, которые могли бы привести к цели.

СОСТОЯНИЕ НАУЧНЫХ ЗНАНИЙ В ИЮНЕ 1940 г.

ТВЕРДО УСТАНОВЛЕННЫЕ И ОБЩЕИЗВЕСТНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ДЕЛЕНИИ

1.57. Все перечисленные ниже сведения были общеизвестны к июню 1940 г. в Соединенных Штатах и за границей:

(1) Три элемента уран, торий и протактиний при бомбардировке их нейтронами иногда расщепляются на приблизительно равные осколки, являющиеся изотопами элементов средней части периодической таблицы, от селена (Z=34) до лантана (Z=57).

(2) Большинство осколков неустойчиво; осколки претерпевают радиоактивный распад последовательным испусканием β-частиц, переходя через ряд элементов к различным устойчивым изотопам.

(3) Осколки обладают очень большой кинетической энергией.

(4) Деление тория и протактиния вызывается только быстрыми нейтронами (со скоростями порядка тысяч миль в секунду).

(5) Деление урана может быть вызвано как быстрыми, так и медленными (тепловыми) нейтронами: тепловые нейтроны вызывают деление только U-235, но не U-238; быстрые нейтроны обладают меньшей вероятностью расщепить U-235, чем медленные (тепловые) нейтроны.

(6) При некоторых скоростях поперечное сечение захвата нейтронов U-238, приводящее к образованию U-239, но не к делению, велико.

(7) Энергия, освобождаемая при делении ядра урана, составляет около 200 миллионов электрон-вольт.

(8) В процессе деления выбрасываются быстрые нейтроны.

(9) Среднее количество нейтронов, испускаемых при одном делении, составляет от одного до трех.

(10) Очень быстрые нейтроны теряют энергию путем неупругих соударений с ядрами урана; при этом какие-либо ядерные реакции не происходят.

(11) Большая часть этих сведений находилась в согласии с полуэмпирической теорией строения ядра, разработанной Бором и Уилером и другими; это говорило о том, что предсказания, основанные на этой теории, должны оправдаться.

ПРЕДПОЛОЖЕНИЕ О ДЕЛЕНИИ ПЛУТОНИЯ

1.58. Казалось вероятным, что радиационный захват нейтронов ураном-238 должен приводить, после двух последовательных β-превращений, к образованию ядра с Z=94 и А=239. Выводы из теории Бора-Уилера и некоторые эмпирические соотношения, установленные Л. А. Тэрнером и другими, подсказывали, что это ядро должно быть довольно устойчиво, испускать α-частицы и делиться при бомбардировке тепловыми нейтронами. Позднее в частных письмах и беседах стали появляться догадки о важности такого теплового деления для поддержания цепной реакции. В современных обозначениях и при существующем уровне наших знаний эта реакция запишется так:

где Np и Pu химические символы двух новых элементов, нептуния и плутония, ₀n1 нейтрон, а _-1e0 обычный (отрицательный) электрон. Плутоний-239, по предположению, может делиться под действием тепловых нейтронов. Это будет подробно рассмотрено в последующих главах.

ОБЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ФИЗИКИ ЯДРА

1.59. К 1940 году ядерные реакции напряженно изучались уже свыше десяти лет. Было опубликовано несколько обзорных статей и издано несколько книг по ядерной физике. Для получения и управления частицами, которыми обстреливается ядро, для изучения искусственной радиоактивности, а также для разделения ничтожно малых количеств химических элементов, получаемых при ядерных реакциях, была разработана новая техника. Массы изотопов были точно определены. Были также измерены поперечные сечения захвата нейтронов. Были разработаны способы замедления нейтронов. Наблюдались физиологические действия нейтронов; они даже были испытаны для лечения рака. Все подобные сведения были известны всем, но они были весьма неполны. Много было еще пробелов и неточностей. Техника была слишком громоздка, а количества имеющихся веществ были ничтожно малы. Хотя основные принципы были ясны, теория изобиловала непроверенными допущениями, и производить вычисления было трудно. Предсказания, сделанные в 1940 г. разными физиками, одинаково известными и талантливыми, часто сильно расходились. Предмет исследований во многом напоминал скорее искусство, чем науку.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВЫ

1.60. Оглядываясь на 1940 год, мы видим, что все предпосылки для серьезных попыток решения проблемы производства атомных бомб и управления атомной энергией были налицо. Была доказана эквивалентность массы и энергии. Было доказано, что нейтроны, начав деление урана, сами воспроизводились при этом процессе, и что, поэтому, могла осуществиться, с силою взрыва, расходящаяся цепная реакция. Разумеется, никто не знал, можно ли будет достичь требуемых условий, но многие ученые ясно представляли себе все проблемы и возможные пути их решения. Следующая глава дает постановку задач и помогает понять достижения последних пяти лет.

Глава II. Постановка задачи

ВВЕДЕНИЕ

2.1.Со времени первых открытий, показавших, что при ядерных реакциях выделяются большие количества энергии, и до открытия деления урана, идея использования атомной энергии, или даже создания атомных бомб, время от времени обсуждалась в научных кругах. Открытие деления сделало как будто эту идею более обоснованной, но использование атомной энергии казалось все еще делом отдаленного будущего, и у многих ученых было инстинктивное чувство, что в действительности атомная энергия не сможет когда-либо быть использована. В течение 1939 и 1940 г.г. многие известные ученые в своих публичных выступлениях обращали внимание на громадное количество энергии, заключенной в уране, которую можно было бы использовать как для взрыва, так и для управляемого производства энергии; благодаря этому U-235 приобрел большую известность и стал нарицательным именем больших событий в будущем. Возможность военного применения деления урана привлекла внимание правительства США (см. гл. III). В марте 1939 г. на конференции с представителями Военно-морского министерства Ферми указал на возможность осуществления управляемой реакции при использовании медленных нейтронов и реакции взрывного характера — при использовании быстрых нейтронов. Он подчеркнул, однако, что имеющиеся данные еще недостаточны для точных предсказаний.

2.2. Летом 1940 г. появилась возможность ясно сформулировать задачу, хотя еще невозможно было ответить на отдельные конкретные вопросы или даже решить, будет ли когда-либо осуществлена цепная реакция. В настоящей главе мы осветим состояние проблемы во всей ее полноте. Для большей ясности мы используем некоторые сведения, которые на самом деле были получены позднее.

ПРОБЛЕМА ЦЕПНОЙ РЕАКЦИИ

2.3. Принцип действия атомных бомб или силовой установки, использующей деление урана, достаточно прост. Если один нейтрон вызывает деление, которое приводит к освобождению нескольких новых нейтронов, то число делений может чрезвычайно быстро возрасти с выделением огромных количеств энергии (рис. 3). Возможность такого нарастания определяется относительной вероятностью ряда процессов. Нейтроны, освобождаемые в процессе деления, могут вылететь из области пространства, занятой ураном, могут быть захвачены ураном в процессе, приводящем к делению, или же могут быть захвачены посторонними примесями. Таким образом, вопрос о том, будет или не будет развиваться цепная реакция, зависит от результата соревнования между четырьмя процессами:

(1) Вылет нейтронов из урана,(2) захват нейтронов ураном без деления,(3) захват нейтронов примесями.(4) захват нейтронов ураном с делением.

Если потеря нейтронов в первых трех процессах меньше количества нейтронов, освобождаемых в четвертом, то цепная реакция происходит; в противном случае она невозможна. Очевидно, какой-либо из первых трех процессов может иметь такую большую вероятность в данном расположении, что избыток нейтронов, освобождаемых при делении, не в состоянии обеспечить продолжение реакции. Например, в том случае, когда процесс (2) — захват ураном без деления — имеет намного большую вероятность, чем захват с делением, цепная реакция невозможна.

2.4. Дополнительная трудность заключается в том, что естественный уран состоит из трех изотопов: U-234, U-235 и U-238, содержащихся в количествах, приблизительно 0,006, 0,7 и 99,3 % соответственно. Мы уже видели, что вероятности процессов (2) и (4) различны для разных изотопов. Мы видели также, что эти вероятности различны для нейтронов, обладающих различными энергиями.

Рис. 3. Схема цепной реакции деления без учета влияния скоростей нейтронов. В взрывной реакции число нейтронов неограниченно возрастает. В управляемой реакции число нейтронов увеличивается до определенного уровня и затем остается постоянным.

Рис. 4. Схема цепной реакции деления с применением замедлителя для замедления нейтронов до скоростей, при которых они в состоянии вызывать деления.

2.5. Рассмотрим теперь ограничения, налагаемые первыми тремя процессами, и средства, при помощи которых можно уменьшить их влияние.

ВЫЛЕТ НЕЙТРОНОВ ИЗ УРАНА; КРИТИЧЕСКИЕ РАЗМЕРЫ

2.6. Относительное количество нейтронов, которые вылетают из урана, может быть уменьшено изменением размеров и формы. В сфере поверхностные эффекты пропорциональны квадрату, а объемные — кубу радиуса. Вылет нейтронов из урана является поверхностным эффектом, зависящим от величины поверхности; захват с делением происходит во всем объеме, занимаемом материалом, и поэтому является объемным эффектом. Чем больше количество урана, тем меньше, поэтому, вероятность того, что вылет нейтронов из объема урана будет преобладать над захватами с делением и препятствовать цепной реакции. Потеря нейтронов на захваты без деления является объемным эффектом, подобно освобождению нейтронов при захвате с делением, так что увеличение размеров не изменяет их относительной важности.

2.7. Критические размеры устройства, содержащего уран, можно определить как размеры, при которых количество освобождаемых при делении нейтронов в точности равно их потере вследствие вылета и захватов, не сопровождающихся делением. Другими словами, если размеры меньше критических, то, по определению, цепная реакция не может развиться. Принципиально уже в 1940 г. можно было определить критические размеры, однако неточность в определении необходимых для расчета постоянных была практически столь велика, что разные их оценки отличались друг от друга в очень широких пределах. Не была исключена возможность, что критические размеры могли оказаться слишком большими для практических целей. Даже сейчас оценки для проектируемых установок время от времени изменяются в некоторых пределах по мере получения новых данных.

ПРИМЕНЕНИЕ ЗАМЕДЛИТЕЛЯ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ЧИСЛА ЗАХВАТОВ БЕЗ ДЕЛЕНИЯ

2.8. В главе I мы указали, что тепловые нейтроны обладают наибольшей вероятностью производить деление U-235 и что нейтроны, испускаемые в процессе деления, имеют большие скорости.

Разумеется, было бы слишком большим упрощением сказать, что цепная реакция может продолжаться тогда, когда при делении освобождается большее число нейтронов, чем поглощается. В самом деле, вероятности захвата с делением и захвата без деления зависят от скоростей нейтронов. К сожалению, скорость, при которой захват без деления наиболее вероятен, находится между скоростью нейтронов, испускаемых в процессе деления, и скоростью, при которой захват с делением наиболее вероятен.

2.9. В течение нескольких лет до открытия деления общепринятый способ замедления нейтронов состоял в том, что их заставляли пройти через вещество с малым атомным весом, например какой-нибудь из материалов, содержащих водород. Процесс замедления представляет собой процесс упругого соударения частицы, имеющей большую скорость, и частицы, практически находящейся в состоянии покоя. Чем ближе масса нейтрона к массе ударяемой частицы, тем большую долю своей кинетической энергии теряет нейтрон. Поэтому легкие элементы наиболее эффективны в качестве «замедлителей», т. е. веществ, уменьшающих скорость нейтронов.

2.10. Многие физики считали, что можно было бы смешать уран с замедлителем для того, чтобы быстрые нейтроны за время между их освобождением при делении урана и встречей с ядрами урана могли уменьшить свою скорость до значения меньшего, чем скорость, при которой очень велика вероятность захвата без деления. Хороший замедлитель должен обладать малым атомным весом и не иметь тенденции поглощать нейтроны. Литий и бор не удовлетворяют второму требованию. Гелий трудно применить, потому что он является газом и потому что он не образует никаких соединений. Для выбора замедлителя, поэтому, остаются водород, дейтерий, бериллий и углерод. Даже теперь ни одно из этих веществ не может быть исключено. Предложение об использовании графита в качестве замедлителя исходило от Э. Ферми и Л. Сциларда.

ПРИМЕНЕНИЕ РЕШЕТКИ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ЧИСЛА ЗАХВАТОВ БЕЗ ДЕЛЕНИЯ

2.11. Общая схема применения замедлителя, смешанного с ураном, совершенно очевидна. Специальный прием употребления замедлителя был впервые предложен в США, — насколько нам известно, Ферми и Сцилардом. Идея заключалась в применении кусков урана значительных размеров, включенных в виде пространственной решетки в материал замедлителя. Такая система имеет значительные преимущества перед однородной смесью. Когда константы были определены более точно, появилась возможность теоретически вычислить наиболее эффективный тип решетки.

УМЕНЬШЕНИЕ ЧИСЛА ЗАХВАТОВ БЕЗ ДЕЛЕНИЯ ПУТЕМ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ

2.12. В главе I было установлено, что для нейтронов в определенном диапазоне скоростей (соответствующем энергиям в несколько электрон-вольт) U-238 имеет большое поперечное сечение захвата для образования U-239, но не для деления. Существует также значительная вероятность неупругих (т. е. не приводящих к захвату) столкновений быстрых нейтронов с ядрами U-238. Таким образом присутствие U-238 приводит к уменьшению скорости быстрых нейтронов и к поглощению нейтронов с умеренными скоростями. Хотя случаи захвата без деления ядрами U-235 могут также иметь место, все же очевидно, что если бы мы могли отделить U-235 от U-238 и избавиться от U-238, то нам удалось бы уменьшить число захватов без деления и, таким образом, добиться развития цепной реакции. Вероятность деления U-235 быстрыми нейтронами может оказаться достаточно большой, чтобы сделать ненужным применение замедлителя, коль скоро U-238 удален.

К сожалению, U-235 содержится в природном уране только в отношении приблизительно 1:140, а относительно малое различие масс обоих изотопов затрудняет разделение. В 1940 г. разделение изотопов в большом масштабе было осуществлено только для водорода, массы двух изотопов которого относятся друг к другу, как 1:2. Тем не менее, возможность выделения U-235 из обычного урана была с самого начала признана весьма важной, и разделение изотопов урана стало одним из двух основных направлений приложения усилий в течение последующих пяти лет.

ПРОИЗВОДСТВО И ОЧИСТКА МАТЕРИАЛОВ