Ферми. Ядерная энергия - Antonio Hernandez-Fernandez

РЕАКТОРЫ ИЛИ БОМБЫ?

Ферми был убежден, что энергия, выделяемая во время самоподдерживающейся цепной реакции с использованием урана, может быть прекрасным источником мощности. Ученый посвятил этому вопросу статью Some Remarks on the Production of Energy by a Chain Reaction in Uranium («Некоторые замечания о получении энергии с помощью цепной реакции в уране»-), которую представил комиссии по изучению урана 30 июня 1941 года. Однако для решения этой задачи требовалось отделить достаточное количество урана-235 от урана-238. Но комиссия сочла невозможным конструирование маленьких ядерных реакторов за имеющееся время для использования их в военных целях, например при запуске снарядов или подводных лодок. Таким образом, она не посчитала приоритетным подобное использование урана.

Другой возможный с технической точки зрения путь деления был открыт Отто Ганом и Лизой Мейтнер: они доказали, что уран-238 может поглощать нейтрон, трансформируясь в уран-239, то есть он становится первым известным трансурановым элементом с атомным номером 93 и атомной массой 239 — так называемым нептунием, обнаруженным в 1940 году в Калифорнийском университете Макмилланом и Абельсоном. В результате распада нептуния, в свою очередь, получался радиоактивный изотоп с атомным номером 94 и атомной массой 239 — плутоний-239 (это название предложил Солд по окончании войны, в 1947 году). Силард на собрании комиссии по урану заявил, что этот элемент обладает всеми необходимыми свойствами для создания ядерной бомбы.

Ферми не терял связи со своим другом Сегре, и когда тот в конце 1940 года приехал к нему на Рождество в Леонию (Нью-Джерси), где семья Ферми жила с лета 1939-го, коллеги обсудили результаты своих исследований. Основной темой был плутоний. Вскоре после этого Сегре и группа ученых из Калифорнийского университета получили плутоний-239. Первые доклады об атомной бомбе на основе плутония появились в июле 1941 года, но наибольшее впечатление произвел доклад, представленный 6 ноября. В нем говорилось о возможности создания ядерных бомб только на основе урана-235. Правительство США оставило открытыми обе линии исследований.

Когда мы открываем новое базовое знание, то любая попытка помешать его применению становится такой же тщетной, как, например, попытка запретить Земле вращаться вокруг Солнца.

Ферми об идее остановить распространение ядерной энергии

В Беркли Эмилио Сегре и Гленн Сиборг усовершенствовали метод получения плутония, показав, что это хороший материал для деления — примерно в 1,7 раза лучше, чем уран-235. Проблема заключалась в том, что циклотрон в Беркли не мог вырабатывать достаточное количество плутония-239. Тогда правительству США стало ясно, что исследования Ферми в Колумбийском университете представляют огромный военный интерес, поскольку он мог получить большее количество плутония.

Тем временем в Бирмингеме (Великобритания) Отто Фриш и Рудольф Пайерлс, бежавшие от нацистского режима, вместе с Жолио и его группой, приехавшими из оккупированной Франции, занимались исследованием цепных атомных реакций с тяжелой водой в качестве замедлителя (водой, в состав которой входил дейтерий Hf вместо водорода Н|) и возможности создания атомной бомбы с ураном-235. Британцы вели с американским правительством переговоры, побуждая США сконцентрироваться на совершенствовании добычи обогащенного урана, игнорируя прогресс, достигнутый в области добычи плутония.

Национальный совет по оборонным исследованиям испытывал трудности с заключением промышленных контрактов, необходимых для развития вооружения, а также вступил в бюрократический конфликт с Национальной академией наук и даже с правительством страны, которому приходилось чрезвычайно дипломатично общаться со странами-союзниками, особенно в том, что касалось атомной бомбы. Чтобы решить все возникшие проблемы, Рузвельт создал Управление научных исследований и развития под своим непосредственным руководством и назначил его директором Буша Вэнивера, который до этого стоял во главе Национального совета по оборонным исследованиям. Буш, следуя рекомендациям своего преемника на прежнем посту Джеймса Конанта, отправил Ферми 19 августа 1941 года письмо, в котором приглашал ученого стать консультантом комиссии по урану, в частности заняться теоретическими аспектами в специальной группе по развитию ядерного реактора.

Японская атака на Перл-Харбор 7 декабря 1941 года подтолкнула США к вступлению в войну против группы союзников — Японии, Германии и Италии. Разработка атомной бомбы пошла быстрее. Исследования развивались по линии и плутония-239, и урана-235, при этом учитывалась возможность продолжения конструирования ядерных реакторов: согласно данным британской разведки, немецкие ученые испытывали к ним особый интерес.

Любопытно, что за день до атаки на Перл-Харбор Вэнивер Буш, уже будучи директором Управления научных исследований и развития, распределил обязанности по изучению ядерного потенциала следующим образом.

ОБОГАЩЕНИЕ УРАНА

Для создания бомбы необходимо было иметь достаточное количество плутония или урана-235. Эрнест Лоуренс использовал электромагнитный метод обогащения урана, разработанный Фрэнсисом Астоном в 1919 году. Метод состоял в том, чтобы создать пучок частиц с ураном в газообразном состоянии. Частицы ускорялись при помощи электрического поля, а потом входили в область воздействия магнитного поля, искривляющего ось так, что оси каждого изотопа урана разделялись и разделялся сам уран-235.

РИС. 1

Разряд калютрона α-1.

Лоуренс разобрал часть своего циклотрона, чтобы сконструировать аппарат, который он назвал калютроном — от слов «Калифорния» и «циклотрон» (рисунок 1). Метод газовой диффузии (рисунок 2), разработанный Гарольдом Юри и Джоном Даннингом в Колумбийском университете, был основан на том, что молекулы в газовых соединениях урана (например, гексафторид урана, UF6), проходя через тончайшие фильтры, делают это с разной скоростью в зависимости от атомной массы изотопа. Уран-235, более легкий по сравнению с ураном-238 и другими изотопами, проходит быстрее, и его можно отделить с помощью центрифугирования.

РИС . 2

Лоуренс в Калифорнийском университете должен был руководить исследованиями по обогащению урана электромагнитными методами в циклотроне; Гарольд Юри в Колумбийском университете был ответственным за улучшение процессов обогащения по газодиффузионной технологии; Эгер Мерфри, директор по исследованиям компании Standard Oil, должен был заниматься в Нью-Джерси промышленным обогащением урана путем центрифугирования; наконец, на Артура Комптона в Чикаго было возложено руководство исследованиями в области теоретической физики, а также проектированием и созданием бомбы. Параметр спонтанной делимости — это вероятность спонтанного деления атома за единицу времени без какого-либо внешнего воздействия. Параметр делимости плутония-239 очень высок по сравнению с ураном-235, поэтому с плутонием-239 проще получить сверхкритическую систему, чем с ураном-235. Однако плутоний был получен искусственно, и необходимая технология его производства была развита недостаточно, поэтому власти США считали, что проще идти по пути обогащения урана.