Кстати, почему нужен именно уран-235, а не уран-238? Дело в том, что уран-235, как и другие нечётные изотопы урана (то есть имеющие нечётное количество нейтронов в ядре), хорошо делится при попадании в них нейтронов любых энергий
[1]. Наиболее эффективно процесс деления идёт при использовании тепловых нейтронов – очень медленных, с крайне низкой, около 0,025 эВ, энергией. Поглотив тепловой нейтрон, ядро урана-235 разваливается на осколки и, в свою очередь, испускает несколько (в среднем около 2,4) нейтронов. Именно такой уран использовался в атомной бомбе «Малыш», сброшенной на Хиросиму. Для Нагасаки применялась другая, плутониевая бомба – всё сказанное выше справедливо и для нечётного изотопа плутония, плутония-239. А вот уран-238 – это «чётно-чётный» изотоп (с чётным количеством нейтронов и протонов в ядре), и он делится только быстрыми нейтронами с энергией выше 1 МэВ. Этот процесс по эффективности сильно уступает делению урана-235 под действием тепловых нейтронов, а более медленные нейтроны уран-238 просто поглощает, превращаясь после цепочки реакций в плутоний-239.
Тот факт, что для деления ядер урана-235 лучше всего использовать тепловые нейтроны, поскольку они легко захватываются ядром посредством сильного взаимодействия, Ферми обнаружил, ещё работая в Риме. Он создал концепцию замедлителя – специального вещества для снижения скорости быстрых нейтронов. Принцип его действия относительно прост: нейтроны теряют энергию за счёт многочисленных соударений с ядрами замедлителя и становятся из быстрых тепловыми.
Цепная реакция в представлении Ферми (крайне упрощённом) выглядела так: медленный (тепловой) нейтрон поглощается ядром урана, делит его с образованием нескольких быстрых нейтронов, они замедляются, поглощаются следующими ядрами и т. д. Соответственно, для мощной цепной реакции нужен был эффективный замедлитель, причём в большом количестве, удовлетворяющий множеству требований. Таким замедлителем стал сверхчистый графит.
Множество учёных – как американцев, так и эмигрантов из Европы – были задействованы в работе по созданию ядерного источника энергии. Так начинался знаменитый Манхэттенский проект, имевший целью создание ядерной бомбы. Во многих источниках написано, что «Чикагская поленница», Chicago Pile-1, первый в истории искусственный ядерный реактор, был непосредственной частью военного проекта, но на этот счёт есть разные мнения. Проанализировав ряд источников, я сделал вывод, что исследования, проведённые ядерщиками в ходе создания «Поленницы», легли в основу работ в Лос-Аламосе, но не являлись их официальным началом. Манхэттенский проект официально стартовал уже после запуска Chicago Pile-1.
Во всём этом была замешана и политика. На ядерную программу требовались огромные средства, а правительство не очень торопилось их выделять. В итоге Силард уговорил своего друга Альберта Эйнштейна, мирно жившего в Принстоне, подписать знаменитое письмо Рузвельту, в котором учёные высказывали опасения насчёт того, что немцы уже начали разрабатывать ядерное оружие, и настаивали на необходимости аналогичного проекта в США. Изначально предполагалось, что письмо доставит знаменитый пилот Чарльз Линдберг, вхожий к президенту, но в последний момент Силард услышал по радио выступление Линдберга в поддержку политики нацистской Германии (а тот вообще был солидарен с Гитлером по многим вопросам) и решил доверить письмо другому человеку. Так или иначе письмо добралось и действительно подтолкнуло Рузвельта к тому, чтобы начать финансирование американской ядерной программы. В рамках этой программы и был создан первый в истории ядерный реактор.
Чикагская поленница
Реактор для контролируемой цепной ядерной реакции разрабатывали в металлургической лаборатории Чикагского университета с февраля 1942 года. Замечу, что этой лаборатории ранее вообще не существовало – она была создана специально для проекта, и, хотя там проводились определённые работы по металлургии плутония, название «металлургическая» использовалось в основном из соображений секретности. Над реактором работали Ферми, Силард, Герберт Лоуренс Андерсон, Вальтер Цинн, Мартин Уайтекер и Джордж Вейл, а также несколько десятков чернорабочих.
Строительство реактора началось в сентябре 1942 года под трибунами университетского стадиона Стэгг Филд. Замедлителем служили 45 000 графитовых стержней квадратного сечения (10,8 на 10,8 на 42 сантиметра) суммарной массой 360 тонн. Стержни выпиливали на обычном деревообрабатывающем станке в соседнем помещении – рабочие после смены выглядели как шахтёры. В качестве топлива использовались 5,4 тонны природного металлического урана в слитках и 45 тонн прессованного оксида урана – это было обусловлено тем, что металлического урана попросту не хватало, он слишком дорого стоил. Никакой системы охлаждения или защиты от излучения реактор не предусматривал. Название «Чикагская поленница» он получил именно из-за графитовых «поленьев». Замечу, что это была не первая попытка построить реактор – Ферми с командой ещё в 1941 году изготовил аж две опытные «поленницы», но обе без какого-либо результата.
Реактор представлял собой большую конструкцию из послойно уложенных графитовых стержней. В них имелись полости, в которых поместили 19 000 брусков оксида урана. Также в конструкции были просверлены отверстия для регулирующих стержней, чтобы с их помощью управлять реакцией: стержни делались из дерева, и на них крепились кадмиевые пластины. Кадмий – отличный поглотитель нейтронов, и стержни, опускаясь на глубину определённого слоя, поглощали часть нейтронов, тормозили реакцию и не позволяли ей переходить в цепную.
2 декабря 1942 года в 9 часов 54 минуты Вальтер Цинн извлёк аварийный защитный стержень, и реакция пошла. Постепенно извлекались всё новые стержни, и к 15:25 состояние реактора подошло к критическому – цепная реакция началась. Реактор проработал всего 4,5 минуты, с очень низким коэффициентом воспроизводства нейтронов – всего 1,0006, то есть на каждый медленный нейтрон, попавший в ядро урана, приходилось 1,0006 выбитых быстрых нейтронов, но начало было положено. Человек впервые в истории осуществил управляемую цепную ядерную реакцию.
Впоследствии CP-1 запускался ещё несколько раз, а в феврале 1943 года его разобрали. Его название дало начало целой серии опытных реакторов, последний из которых, CP-5, был построен в Аргоннской национальной лаборатории в 1954 году и функционировал до 1979-го.
Наверное, вы спросите: а где же советские учёные? Когда уже начнётся наша история? Я вам отвечу: прямо сейчас она и начнётся.
Советский атом
Как уже говорилось, до войны США были одним из дружественных СССР государств. Сотрудничество началось даже до того, как Соединённые Штаты признали Советский Союз и открыли посольство в Москве (это случилось в 1933 году), и советские учёные в 1920–1930-е годы имели доступ к международной научной информации и даже ездили в рабочие командировки в США и Европу.
