К-19. Рождающая мифы - Владимир Ильич Бондарчук

Для ученых-ядерщиков «критическая масса», «критический объем» означают, что для того, чтобы проходила незатухающая цепная реакция деления, система должна быть таких размеров, чтобы утечка нейтронов была такой малой, чтобы число вторичных нейтронов в каждом последующем поколении равнялось числу первичных нейтронов. Как просто! Но не получилось. Взяли 400 кг естественного урана и никаких признаков выделения энергии — ни взрыва, ни кипения, ни разогрева.

Вот тогда начали разбираться с ураном. А он оказался двуликим Янусом. Его малораспространенный изотоп уран-235 делится при поглощении нейтрона любой энергии. При этом, чем меньше энергия нейтрона, тем больше вероятность его захвата ядром урана-235 с последующим делением. Максимальное значение наблюдается при очень малой энергии нейтронов, близкой к энергии их теплового движения, примерно 1/40 эВ. Такие нейтроны называются тепловыми.

Другой изотоп — уран-238 — не делится нейтронами малых энергий. Этот процесс происходит только в том случае, если энергия нейтрона больше некоторого порога, примерно 1 МэВ, причем вероятность деления тем выше, чем больше энергия нейтрона над этим порогом.

Ученые предположили: так как в естественной смеси изотопов урана-238 в 140 раз больше, чем урана-235, то цепная реакция затухает вследствие того, что энергия вторичных нейтронов ниже пороговой. Тщательные измерения показали, что энергия вторичных нейтронов составляет в среднем около 2 МэВ, что почти в два раза больше, чем порог деления урана-238.

Почему же цепной процесс в естественном уране затухает?

Физики установили наличие конкурирующих процессов взаимодействия нейтронов с ядрами урана. Реакции могут протекать по разным каналам. Один канал — возможный исход захвата нейтрона: деление образовавшегося ядра, соответственно возникновение 2-3-х вторичных нейтронов и новое разветвление нейтронных цепей. Другой канал — образование более тяжелого изотопа урана-236 или урана-239. В этих процессах возбужденное ядро, возникшее в результате захвата нейтрона, излучает избыток энергии в форме сгустка коротковолнового электромагнитного излучения. Породив такой квант электромагнитного излучения и удержав нейтрон, новое ядро переходит в основное невозбужденное состояние. Такой процесс называется радиационным захватом. В результате радиационного захвата нейтронная цепь обрывается.

Законы физики таковы, что возбужденное ядро урана-236, образуемого после захвата теплового нейтрона ураном-235, чаще испытывает деление и лишь изредка — в 16 случаях из 100 — переходит в основное состояние. Для ядра урана-239, образованного в результате захвата нейтрона ураном-238, вероятность деления в 20 раз меньше вероятности радиационного захвата. Для возбужденного ядра урана-239 есть еще один канал развития ядерной реакции. Составное ядро урана-239, образовавшееся в результате захвата нейтрона ядром урана-238, выбрасывает нейтрон и превращается снова в уран-238. Энергия вторичного, выбрасываемого нейтрона, оказывается ниже пороговой, необходимой для деления урана-238. Такой процесс называется неупругим рассеиванием нейтроном. Взаимодействуя с ураном-238, нейтроны «портятся» — теряют энергию, необходимую для деления этих ядер. Неупругое рассеивание нейтронов происходит на ядрах урана-238 значительно вероятнее, чем деление.

Летом 1940 года Курчатов сделал вывод: цепная реакция на быстрых нейтронах на уране-238 невозможна из-за неупругого рассеивания нейтронов. Огорчение физиков-ядерщиков по этому поводу оказалось счастьем для нашей планеты. Если бы не этот подарок природы, на создание ядерного оружия потребовались бы не годы, а месяцы. Атомная бомба оказалась бы в руках фашистов.

Организованные ядерные исследования в Германии («Урановый проект») начались в сентябре 1939 года. Эти исследования были не простым прожектерством — в Германии имелись для этого необходимые научно-технические и экономические условия, кадры ученых и запасы уранового сырья.

Ученые пришли к выводу, что в качестве ядерного заряда можно использовать плутоний, который может образовываться в ядерном реакторе. На этой основе в конце 1941 года была разработана новая концепция создания атомного оружия. Предлагалось из-за чрезвычайной технической сложности резко сократить работы, связанные с ураном-235, а все усилия сосредоточить на создании атомных реакторов («программа Гейзенберга»).

4 июля 1942 года под председательством Шпеера состоялось генеральное обсуждение перспектив создания ядерного оружия. Выступивший с докладом научный руководитель проекта В. Гейзенберг подчеркнул наибольшую перспективность реакторного направления и сделал вывод, что техническая реализация энергии атомного ядра может сыграть решающую роль в военном деле. Разгром немецких войск под Сталинградом, а также дальнейшие неудачи немцев на Восточном фронте не позволили Германии осуществить свой «урановый проект». Но создание ядерного оружия стало делом времени и техники.

Ядерное оружие из имеющегося материала могло быть создано только на основе малораспространенного изотопа уран-235, делящегося нейтронами любой энергии. Для каждой атомной бомбы следовало накопить не менее 1 кг этого изотопа. А для этого необходимо «отсеять» относительно легкие ядра урана-235 от подавляющей массы более тяжелых ядер урана-238. Такой процесс называется обогащением. Существует несколько промышленных способов обогащения урана-235. Наиболее распространенные:

— метод газовой диффузии;

— метод электромагнитного разделения на газовой центрифуге.

В методе газовой диффузии исходная смесь изотопов урана в виде газообразного состояния соединения урана продавливается через фильтры с очень тонкими порами. В условиях вакуума более легкие молекулы с ураном-235 пролетают через поры чуть быстрее тяжелых молекул с ураном-238, так что прошедший через фильтр газ несколько обогащается, а не прошедший — обедняется легким изотопом урана-235. Для получения значительного обогащения этот процесс необходимо многократно повторять, соединяя разделительные ступени в каскад. Газодиффузионный каскад, производящий обогащенный уран, содержит более 1000 ступеней с мощными компрессорами на каждой ступени. Методы обогащения урана отличаются крайне низкой производительностью, высокой стоимостью и фантастической энергоемкостью.

Есть еще один путь создания ядерного оружия — использовать трансурановый элемент плутоний-239. Физики определили, что ядро урана-239, сильно возбужденное захваченным нейтроном, испускает частицу и переходит в новый трансурановый элемент нептуний. Это вещество нестабильное и, испытав, в свою очередь, бета-распад, превращается в следующий трансурановый элемент плутоний-239.

Для накопления значительного количества плутония, прежде всего, необходим мощный источник нейтронов для облучения урана-238. Добывать плутоний нужно было в больших количествах. Все, что было известно в довоенной физике — ни естественно радиоактивные вещества, ни такие ускорители заряженных частиц как циклотрон, не могло обеспечить получение ощутимых порций искусственного элемента. Единственный путь, который мог привести к успеху, — использование процесса деления ядер урана. А для этого нужно было организовать самоподдерживающуюся цепную реакцию деления ядер урана.

Выше было определено, что развитию цепной ядерной реакции деления урана-235 препятствует уран-238. Но уран-235 делится нейтронами любой энергии, а лучше всего тепловыми. Почему бы не замедлить быстрые нейтроны, расположив на их пути атомные ядра? Сталкиваясь с ними, нейтроны передают им часть своей энергии. Максимальной замедляющей способностью обладают водородсодержащие вещества — вода, парафин… Но и в этом случае оказалось не все так просто. Природа поставила еще один барьер на пути создания реактора. Для урана-238 вероятность захвата нейтронов без деления, но с последующим образованием плутония-239, имеет резонансный