ПРОГРАММА, ПРЕДЛОЖЕННАЯ 15 ИЮНЯ 1940 г
4.2. В июне 1940 г. почти вся работа по вопросам цепной реакции была сосредоточена в Колумбии под общим руководством Пеграма и при ближайшем участии Ферми и Сциларда. Было установлено, что самыми благоприятными условиями для цепной реакции являются, вероятно, те, в которых деление происходит в неоднородной смеси графита и урана под действием тепловых нейтронов. Весной 1940 года Ферми, Сцилард и Г.Л. Андерсон повысили точность измерения поперечного сечения захвата нейтронов углеродом, резонансного поглощения нейтронов (промежуточных скоростей) изотопом U-238 и более детально изучили замедление нейтронов в углероде.
4.3. Пеграм, в записке Бригсу от 14 августа 1940 года писал: «Не очень легко измерять эти величины с большой точностью, не применяя больших количеств веществ. Результаты этих опытов весною 1940 года свидетельствовали о том, что возможность цепной реакции с достоверностью не доказана, хотя еще меньше можно считать ее полностью опровергнутой. В целом полученный указания были более благоприятны, чем выводы, сделанные из предыдущих результатов.»
4.4. На собрании 15 июня (см. главу III) были обсуждены эти результаты и было рекомендовано, чтобы: (А) были проведены дальнейшие измерения ядерных постоянных и (В) были произведены опыты над решетками из урана и углерода, содержащими уран в количествах 1/3-1/4 вычисленных критических количеств.
РЕЗУЛЬТАТЫ, ДОСТИГНУТЫЕ К 15 ФЕВРАЛЯ 1941 г
4.5. Доклад Пеграма от 15 февраля 1941 г. показывает, что большая часть работ, выполненных к этому времени, относилась к пункту (А), тогда как работы по пункту (В) — так называемому промежуточному эксперименту — задерживались из-за недостатка материалов.
4.6. Перефразируя доклад Пеграма, можно представить главные результаты в следующем виде:
(а) Замедление нейтронов в графите было исследовано путем изучения интенсивности активации различных детекторов (родий, индий, йод), расположенных различным образом внутри прямоугольной графитовой колонны, имеющей размеры 338 футов, когда в нее помещался источник нейтронов. Подбирая соответствующие кадмиевые экраны, можно было исследовать действия резонансных и тепловых нейтронов в отдельности.[2]
Математический анализ экспериментальных данных, основанный на теории диффузии, позволил предсказать результаты, ожидаемые в других расположениях. Эти результаты в сочетании с теоретическим изучением диффузии тепловых нейтронов послужили основой для расчета числа тепловых и резонансных нейтронов, обнаруживаемых в какой-нибудь точке в массе графита заданной формы, если источник нейтронов помещается в определенном положении внутри графита или вблизи него.
(b) Число нейтронов, испускаемых при делении. Опыты по замедлению нейтронов показали, что практически почти все нейтроны, обладающие большой энергией (быстрые), как, например, нейтроны, получающиеся при делении, снижают свою энергию до тепловой, проходя через слой графита толщиною в 40 см или более. Уран, помещенный в область образования тепловых нейтронов, поглощает их и — поскольку происходит деление — сам испускает быстрые нейтроны, легко отличимые от тепловых нейтронов. Производя ряд измерений, в присутствии урана и без него, с помощью разного рода детекторов и поглотителей можно получить значение константы η — числа нейтронов, испускаемых на один тепловой нейтрон, поглощенный ураном. Эта величина не есть число испускаемых нейтронов, приходящихся на деление, она несколько меньше этого числа, так как не каждое поглощение вызывает деление урана.
(c) Теория решетки. Производились обширные вычисления ожидаемого числа нейтронов, вылетающих за пределы решеток различных конструкций и размеров. Эти вычисления служили основой для так называемого промежуточного эксперимента, упомянутого выше в пункте (В).
НАЧАЛО ВЫПОЛНЕНИЯ НОВЫХ ПРОГРАММ
4.7. Интерес, проявленный отдельными учеными институтов в Принстоне, Чикаго и Калифорнии к проблеме цепной реакции, привел к постановке ряда исследований в этих институтах. С тех пор работа этих групп согласовывалась с работой в Колумбии, образуя части единой большой программы.
РАБОТА ПО РЕЗОНАНСНОМУ ПОГЛОЩЕНИЮ
(Термин «резонансное поглощение» применяется для описания весьма сильного поглощения нейтронов ураном-238, когда энергии нейтронов занимают определенные интервалы в пределах от 0 до 1000 электрон-вольт. Резонансное поглощение доказывает существование ядерных энергетических уровней при соответствующих значениях энергий. В некоторых случаях этот термин применяется ко всей энергетической области в окрестности таких уровней.)
4.8. В главе II утверждалось, что решетчатая конструкция с правильным распределением блоков урана в замедлителе представляет известные преимущества. Именно над этой системой и работала колумбийская группа. Как это часто бывает, основная идея весьма проста. Если уран и замедлитель представляют однородную смесь, то нейтроны, теряя в среднем энергию небольшими порциями между прохождениями сквозь уран в процессе уменьшения скоростей до тепловых, будут иметь большую вероятность столкновений с атомами урана с заданной скоростью, например, со скоростью, соответствующей резонансному поглощению. Однако, если уран расположен в замедлителе блоками, с большими промежутками между ними, то энергия, теряемая нейтронами при переходе от одного блока урана к другому через замедлитель, будет велика, и вероятность того, что нейтроны достигнут блока урана с энергией, как раз равной энергии резонансного поглощения, будет относительно мала. Таким образом, вероятность поглощения нейтронов ураном-238 с образованием урана-239, в сравнении с вероятностью поглощения тепловых нейтронов, приводящего к делению, может быть достаточно уменьшена, для того, чтобы цепная реакция могла развиться. Если бы были известны точные значения поперечных сечений каждого изотопа урана для каждого типа поглощения и для любых интервалов скоростей нейтронов, и если бы имелись аналогичные сведения относительно замедлителя, то можно было бы рассчитать «оптимальную решетку», т. е. наиболее благоприятные размеры и форму блоков урана и расстояния в замедлителе. Так как подобные данные были известны лишь частично, необходим был непосредственный экспериментальный подход к проблеме. Поэтому было предложено измерять поглощение нейтронов ураном в условиях, подобных тем, которых можно ожидать в действующем котле с графитом в качестве замедлителя.
4.9. Эксперименты такого рода были начаты в Колумбии и продолжены в Принстоне в феврале 1941 г. Опыты состояли в изучении поглощения нейтронов в интервале энергий от нескольких тысяч электрон-вольт до долей электрон-вольта (тепловые энергии), причем поглощение имело место в различных слоях сфер из урана или окиси урана, уложенных в графите.
4.10. В этих экспериментах нейтроны получались при бомбардировке бериллиевой мишени протонами, ускоренными в циклотроне (выход нейтронов был эквивалентен радие-бериллиевому источнику с интенсивностью около 3500 кюри). Нейтроны, полученные таким образом, обладали широким непрерывным распределением скоростей. От этого источника они проходили в большой графитовый блок. Помещая различные сферы из урана или окиси урана внутри графита в различных положениях на все возрастающих расстояниях от источника, можно было изучать поглощение нейтронов, средние скорости которых уменьшались до тепловых. Было найдено, что общее поглощение нейтронов такими сферами могло быть выражено через «поверхностный» эффект и «объемный» эффект.
4.11. Эксперименты, требующие применения сфер разных размеров, различных плотностей и в различных расположениях, продолжались до весны 1942 года. когда большинство членов группы было переведено в Чикаго. Аналогичные эксперименты, проделанные позднее в университете Индианы А.Ч.Г. Митчелом и его сотрудниками, подтвердили и в некоторых случаях исправили данные, полученные в Принстоне, но летом 1941 года принстонские данные были достаточно точны для использования в планировании опытов с полузаводскими котлами, а впоследствии с промышленными котлами.
4.12. Опыты по резонансному поглощению в Принстоне были выполнены Р.Р. Вильсоном, Э.К. Кройтцем и их сотрудниками, под общим руководством Г.Д. Смита; им постоянно помогали Вигнер и Уилер, и они часто совещались с колумбийской группой.
ПЕРВЫЕ ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
4.13. Приблизительно в июле 1941 г. в Колумбии впервые был произведен в большом масштабе опыт с решеткой из урановых блоков в графите. Был сложен графитовый куб с ребром в 8 футов, содержавший около 7 тонн окиси урана в железных коробках, расположенных в графите с равными промежутками. Предварительная серия измерений на этой конструкции была выполнена в августе 1941 г. Аналогичные конструкции несколько более значительных размеров были установлены и исследованы в течение сентября и октября, и впервые был разработан и применен так называемый экспоненциальный метод определения коэффициента размножения (описанный ниже). Эта работа была выполнена Ферми и его помощниками Г.Л. Андерсоном, Б. Фельдом, Дж. Вейлем и В.Г. Цинном.
4.14. Опыты над коэффициентом размножения похожи на описанные выше опыты по определению η — числа нейтронов, испускаемых на один поглощенный тепловой нейтрон. Радие-бериллиевый источник нейтронов помещается у основания решетки, и измеряется число нейтронов в различных точках решетки. Затем эти числа сравниваются с соответствующими числами, полученными в отсутствии урана в массе графита. Очевидно, поглощение нейтронов ураном-238 с превращением его в уран-239 приводит к уменьшению числа нейтронов, в то время как деление урана увеличивает это число. Возникает вопрос: что преобладает? или, более точно, преобладает ли освобождение нейтронов в процессах деления над всеми процессами поглощения нейтронов? Истолкование экспериментальных данных по этому решающему вопросу сопровождалось введением многих поправок, вычислениями и приближениями, но в конце концов все сводилось к единственному числу — коэффициенту размножения k.
КОЭФФИЦИЕНТ РАЗМНОЖЕНИЯ
4.15. Успех или неудача решения всей проблемы урана зависели всецело от коэффициента размножения k называемого иногда коэффициентом воспроизведения. Если k удастся сделать более единицы в практически действующей системе, проект окажется успешным; если же нет, то цепная реакция окажется не более, как фантазией. Это ясно из следующего рассуждения, применимого к любой системе, содержащей материал, подверженный делению. Предположим, что в данный момент в системе имеется определенное число свободных нейтронов. Некоторые из этих нейтронов сами вызовут деление и будут таким образом непосредственно производить новые нейтроны. Коэффициент размножения k есть отношение числа этих новых нейтронов к числу первоначально имевшихся свободных нейтронов. Пусть в котле, содержащем уран, углерод, примеси, коробки и т. д., делением произведены 100 нейтронов; некоторые из них вылетят из котла, некоторые будут поглощены ураном и не вызовут деления, некоторые будут поглощены углеродом, материалом коробки или примесями и лишь некоторые из этих 100 нейтронов вызовут деление, производя тем самым новые нейтроны (см. рис. 2 на стр. 36). Если делений достаточно много и каждое из них в отдельности достаточно эффективно, то будет произведено более 100 новых нейтронов, и система обеспечит развитие цепной реакции. Если число новых нейтронов 105, то k =1,05. Но если число новых нейтронов на 100 начальных равно 99, то k =0,99, и цепная реакция невозможна.
4.16. Мы отдавали себе отчет в том, что описанный выше промежуточный или «экспоненциальный» эксперимент имел слишком малый масштаб для получения цепной реакции. Поэтому представляет весьма большой интерес знать, будет ли происходить цепная реакция в котле более крупных размеров, но с решеткой той же конструкции. Это можно было определить рассчитав, какое значение получит k для неограниченно большой решетки того же типа. Задача состояла в том, чтобы вычислить, каково было бы значение k если бы сквозь стенки котла не происходило никакой диффузии нейтронов. Фактически теперь установлено, что если система, в которой происходит цепная реакция, в достаточной мере превосходит критические размеры, например, в два или три раза, — и окружена так называемым рефлектором, то эффективное значение k очень мало отличается от значения k для бесконечных размеров, при условии, что k близко к 1,00. Поэтому, способность разных смесей урана с замедлителем давать цепную реакцию обычно характеризуют значением коэффициента размножения, полученным в предположении котла бесконечно больших размеров.
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 БЕРИЛЛИЕМ
4.18. 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 РАБОТА
4.22. 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 ПЛУТОНИЕМ
4.24. 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 ВЕЩЕСТВА
4.26. 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.