starcom68 (starcom68) wrote,
starcom68
starcom68

Атомные реакторы — путь к реактору в Германии и США. Часть 1/II

Оригинал взят у alex_leshy в Атомные реакторы — путь к реактору в Германии и США. Часть 1/II


Откуда вообще взялась идея создавать атомный реактор или, как изначально называли такие устройства, «урановый котел»? До той поры ученые не встречали в природе цепных реакций деления урана, но выброс огромной энергии был настолько соблазнителен, что они сами себе и поставили задачу – искусственно создать условия, при которых такой процесс станет возможен. Если реакция будет именно цепной – надо только суметь: а) начать ее и б) создать условия, при которой она станет неизбежна. Всего-то делов!..

Коротко, но в достаточном объеме разобравшись с процессами, происходящими в ядрах атома урана после того, как «к ним в гости» заявляется хорошо разогнанный нейтрон, мы теперь вполне способны рассмотреть и понять, как рождались первые атомные реакторы, как эволюционировало их развитие и как мы дошли до атомной жизни такой, какой ее видим сейчас.

После того, как Нильс Бор доказал, что деление урана идет именно в изотопе уран-235, ребром встал вопрос о замедлителе. Нейтроны «второго» и последующих поколений должны быть медленными – быстрые «съест» уран-238, цепная реакция из-за этого просто затухнет. Есть всего два вида материала, оптимально исполняющие роль такого замедлителя – чистый графит и так называемая «тяжелая вода».


Что такое тяжелая вода и чем она отличается от легкой?

Атомы многих химических элементов позволяют себе всякие вольности с количеством нейтронов, входящих в состав их ядер, выходя из рамок стандарта: то «выгонят» несколько прочь, то затащат в гости «лишних». Любимый всеми нами уран (правда ведь?..) – классический пример такого поведения. Наиболее стабилен уран-238, в ядре которого 92 протона и 146 нейтронов, такая теплая компания способна жить в мире и согласии друг с другом тысячи лет. Но в природном уране всегда имеется 0,7% «диссидентов» — атомов урана-235, в ядрах которых на 3 нейтрона меньше при том же количестве протонов.

Протоны, содержащиеся в ядре атома, определяют его химические свойства, количество нейтронов на это никак не влияет. Именно по этой причине ученые-химики в деле обогащения урана по его изотопу-235 помочь ничем не могут. Изотопы отличаются друг от друга только с точки зрения физики, причем не только ядерной или там физики элементарных частиц, все брутальнее. Больше нейтронов – больше вес, больше нейтронов – больше размер, и именно на этом построены такие непростые методы, как диффузионное обогащение и обогащение при помощи центрифуг.

Впрочем, отвлеклись. Давайте снова припомним школьные годы чудесные. Помните, как выглядит атом водорода, элемента №1 в таблице Менделеева? До предела просто: вокруг одного-единственного протона по орбите носится не менее одинокий электрон. Унылая картина, сто лет одиночества… Но самые предприимчивые протоны, чтобы не скучать, умудряются найти себе компанию – нейтрон, а особо изощренные протоны умудряются даже соображать на троих, присоседивая к себе сразу два нейтрона. Для таких неугомонных деятелей физики придумали даже отдельные названия – дейтерий и тритий соответственно.


Изотопы водорода

Свободного, ни с чем не соединенного водорода на Земле практически нет, так что, когда мы говорим о нем, волей не волей мы начинаем рассуждать о воде – самом распространенном соединении водорода в условиях, сложившихся на нашей планете. Химическую формулу воды наверняка могут сказать наизусть даже самые закоренелые лирики – «ащ два о», Н2О. Протон и нейтрон весят примерно одинаково, потому молекула воды, в которой вместо водорода находится дейтерий – чуточку тяжелее, отсюда и название. Таких изотопов чрезвычайно мало, но они имеются в ничтожных количествах в любой воде – даже в той, которую мы с вами пьем из бутылок или кипятим в чайнике. Но собрать этот мизер во что-то существенное по количеству технически очень непростая задача, а уж при технологиях, существовавших в конце 30-х годов минувшего века и подавно. Собственно говоря, на тот момент в Европе существовал ровно один завод, производивший такую экзотику. Располагался он в Норвегии и объем продукции был просто колоссален – 10 литров в месяц. Чтобы была понятна ирония: даже для экспериментальных реакторов тяжелой воды нужны тонны.


Лиза Мейтнер



Почему мы так подробно рассказываем о тяжелой воде? Как только Лиза Мейтнер и Отто Фриш провели и опубликовали свои расчеты о делении ядер урана под действием удара нейтрона, стало очевидно, что при этом процессе выделяется какое-то просто ураганное количество энергии, в тысячи раз большее, чем при любой химической реакции. Если научиться делать реакцию деления цепной, да еще и происходящей в приличном количестве урана, можно получить бомбу невиданной, фантастической мощности. Журналистов, имевших не самое плохое физическое образование, в те времена было достаточно, чтобы превратить расчеты Мейтнер и Фиша, да еще и тут же подтвержденные экспериментами, в научно-техническую сенсацию всемирного масштаба. Сенсация была вполне себе «жареной», поскольку несколько «технических проблемок», которые предстояло решить для овладения энергией ядра урана, были невероятно сложны. Но уже тогда находились те, кто легко закрывал глаза на такие «пустяки». Лизу Мейтнер стали называть «матерью атомной бомбы», Голливуд забабахал фильм, в котором Лиза чуть ли не в дамской сумочке убегала из Берлина в неведомые дали… Та самая Лиза Мейтнер, которая в реальной жизни отказалась от участия в разработке атомной бомбы, послав всех зазывал со словами.

«Я ни при каких условиях не буду принимать участия в потенциальном убийстве миллионов людей» / Лиза Мейтнер


Но зерно в журналисткой сенсации имелось: страна, первой покорившая ядро урана, становилась самой могущественной в мире в военном отношении. Приз для того предвоенного, грозового времени – сами понимаете, поистине уникальный. Урановая бомба могла стать оружием, позволяющим выиграть любую войну с любым противником.


Тридцатые годы, Германия

Говорим «война» — подразумеваем Германию. Так и было. Немецкие физики первыми поняли, какие открываются перспективы. Немецкие физики первыми поняли, кто способен обеспечит им любые объемы финансирования исследовательской работы. Соответствующий доклад лег на стол министерства обороны, и военные взяли проект под свое крыло. Весьма быстро было основано “Урановое сообщество” — объединение физиков-атомщиков, неформальное главенство в котором сразу перешло к Вернеру Гейзенбергу. Лучший из остававшихся на тот момент в фатерлянде физиков выразил готовность потрудиться на благо обновленной родины. Молодой, невероятно одаренный ученый, к тому времени обретший заслуженную всемирную славу как один из основоположников квантовой физики, Нобелевский лауреат возглавил немецкий урановый проект. Ученые в других странах отчетливо поняли – мир реально встал на грань планетарной катастрофы. Если работа под руководством Гейзенберга будет успешной — режим Адольфа Гитлера станет несокрушим. Не было ни малейшего сомнения в том, что Гитлер, не дрогнув, применит атомную бомбу против любого противника, ни на секунду не задумавшись о сотнях тысяч жертв среди мирного населения. Даже сейчас страшно думать, во что могла бы превратиться Великая Отечественная война, будь успехи людей Гейзенберга достаточно стремительными…


Вернер Гейзенберг



Не простая, во многом противоречивая фигура. За его согласие работать на гитлеровский режим его, скажем мягко, подвергли самому жесткому остракизму физики всего мира. Слов по этому поводу сказано огромное количество, но они остаются словами. Хотел ли Гейзенберг на самом деле создать супер-бомбу для Гитлера? В искренности такого намерения Гейзенберга на все 100% был убежден его бывший учитель Нильс Бор, в этом были уверены многие ученые, которые вынуждены были покинуть ставшую нацистской Германию. Сам же Гейзенберг в своих мемуарах писал нечто совсем иное: по его словам, он сознательно использовал атомный проект для того, чтобы добиться максимально большого благоприятствования большой науке со стороны режима, чтобы обеспечить ученых достойным финансированием, помочь избежать мобилизации. По словам Гейзенберга, атомный проект стал всего лишь некой операцией прикрытия, имитацией – и не более того. Кому верить?

Нам кажется – только фактам. В мемуарах полно эмоций, а факты им не подвержены. Фактов этих настолько большое количество, что их полный анализ потребует отдельной статьи, потому в этот раз предлагаем остановиться на главных из них. Гейзенберг в качестве замедлителя сделал ставку на тяжелую воду. Сделал – и проиграл, едва не погибнув сам при очередном испытании очередного экспериментального реактора. Это был реактор L-IV – металлическая сфера диаметром 80 см и весом почти в тонну, содержащая в себе два концентрических слоя порошкообразного урана, разделенных равным по весу слоем тяжелой воды. Даже из описания видно: ну, просто неудобно, намного комфортнее работать с твердым графитом!.. Но, по расчетам Гейзенберга, оставалось только вставить внутрь этой сферы радиево-бериллиевый инициатор нейтронов – и внутри сферы должна была начаться вожделенная цепная реакция деления ядер урана. Ну, или на языке цифр: вторичных нейтронов должно было стать на 13% больше, чем нейтронов «пусковых».

Реакция и началась. Химическая – порошка урана и воды. Сферу хранили в бассейне, потому струйки водорода, вырывавшиеся из нее, заметили сразу. Сферу быстренько вытащили из воды и не придумали ничего лучше, как открыть впускной клапан – надо было ведь восстановить орднунг. В сферу попал воздух, мгновенно доказав научные изыскания химиков – они говорили о том, что порошкообразный уран пирофорен, склонен к самовозгоранию при контакте с кислородом. Химики – умнички! Уран горел просто замечательно, пламенными струйками вырываясь из корпуса сферы, поджигая внешний ее слой, сделанный из алюминия. Старший ассистент Гейзенберга, герр Депель, тем не менее, изощрился прекратить пожар и опустить сферу обратно в бассейн. Прибывший по его вызову Гейзенберг, осмотрев поле сражения, заявил, что ситуация полностью взята под контроль, можно продолжать готовиться к решающему опыту. Как раз в этот момент сфера стала лихорадочно вибрировать, раздуваясь прямо на глазах. Гейзенберг и Допель успели выскочить из лаборатории только чудом. После осмотра ее руин начальник местной пожарной команды в своем рапорте написал замечательную фразу:

«Профессор Гейзенберг достиг успехов в области атомного распада»


За несколько месяцев до этого происшествия Гейзенберг делал доклад на очередном заседании Уранового сообщества, в котором сделал вывод о том, что создание урановой бомбы – решаемая задача. Тот самый Гейзенберг, который одобрил конструкцию реактора и саму схему опыта, грешившую ошибками по технике безопасности на уровне студента-первокурсника. Но и это не все. Перепроверив выводы Нильса Бора о том, что главный участник цепной реакции деления – изотоп урана-235, Гейзенберг практически не приложил никаких усилий по разработке технологии обогащения. Подчиненные попытались реализовать метод термодиффузии, но успеха не добились. Гейзенберг просто принял это к сведению, не только не предложив ничего взамен, но даже не создав рабочую группу, которая занялась бы конкретно этой проблемой. В результате к началу 1943 года военные Германии практически перестали обращать внимание на урановый проект, сделав ставку на ракеты фон Брауна.

Одна ошибка даже у такого выдающегося ученого, каким, без сомнения, был Гейзенберг, конечно, возможна. Но можно ли приписать нелепой случайности буквально нагромождение ошибок во всем немецком атомном проекте? Делайте выводы самостоятельно, уважаемые читатели. Если интересно – мы с удовольствием вернемся к этой теме, чтобы изложить ее более подробно. Пока остановимся на основном: не смотря (или – благодаря, это кому как нравится) на наличие в атомном проекте нацистов Вернера Гейзенберга, не смотря на отдельные успехи, этот проект не состоялся. Атомный реактор с тяжелой водой в качестве замедлителя оказался тупиком для немецких физиков.


Манхэттенский проект, США

Первый реактор был создан в США, это общеизвестный факт. Причин для этого было более, чем предостаточно. Проект S1, который привычнее звучит как «Манхэттенский» имел колоссальное финансирование – не менее 500 миллионов долларов из бюджета Пентагона, не считая «гражданских» расходов на оборудование для многочисленных опытов и экспериментов. Это – довоенные доллары, когда тройская унция золота стоила 35 американских денежных знаков, сейчас эта унция стоит около 1’100 долларов. К «прочим» расходам относились земельные участки, переданные в распоряжение военных и ученых, финансирование исследовательских работ частных компаний из государственного бюджета и многое другое, исследователи этого вопроса склоняются к тому, что общие расходы составили не менее 2 миллиардов тех самых, довоенных долларов. Но финансирование, при всей его важности, было не самым главным критерием.

Появление атомного проекта и его стремительное развитие в Америке – во многом заслуга десятков физиков, вынужденных перебраться за океан из Европы, оказавшейся едва не полностью под контролем нацистской Германии. Альберт Эйнштейн, Энрико Ферми, Лео Сцилард, Эдвард Теллер, Ханс Бете, Георг Плачек, Фредерик Вайскопф, фон Нейман, Станислав Улам, Феликс Блох – для физиков каждое имя значимо и весомо. Если бы не эти эмигранты, на собственном опыте узнавшие звериную суть нацизма – как знать, как бы пошли дела.


Лео Сциллард

Часто его фамилию пишут как Силард – разные транскрипции венгерского написания Szilard – ученый из Венгрии, живший в Штатах с 1938 года, вместе с Ферми в 1939 проводил опыты по расщеплению ядер урана, подтвердивших осуществимость цепной реакции, стал инициатором всего атомного проекта Америки. Именно он летом 1939 года, скооперировавшись еще с двумя бывшими венграми – Юджином Вигнером и Эдвардом Теллером, обратился за помощью к Альберту Эйнштейну.


Альберт Эйнштейн (слева) и Лео Сциллард (справа)

Помочь он просил в важном и срочном деле: достучаться до Франклина Рузвельта с опасениями о том, что Германия может первой создать атомную бомбу, а потому все новые научные открытия ученых-атомщиков должны перестать появляться в открытой прессе, поставить президента в известность о том, что немцы добрались до чешского урана. Основной посыл письма заключался в том, что, по мнению авторов, США должны приложить максимум усилия для того, чтобы опередить группу Гейзенберга в покорении энергии урана, не дать гитлеровцам первыми получить абсолютное оружие. Эйнштейн согласился помочь, и в октябре 1939 года письмо ученых добралось до адресата. Не сказать, что Рузвельт отреагировал уж очень стремительно, но жернова государственной машины пришли в движение.

Что предлагал держать в строгой тайне Лео Сцилард? Бывшие европейцы, которые прекрасно понимали, насколько опасное развитие могут получить труды Гейзенберга, и без Сцилларда понимали, что далеко не все их изыскания должны попадать в прессу. Опасения венгерского иммигранта вызывали сами янки. Да, давайте определимся с терминологией. Для журнала «Геоэнергетика» граждане США периода до вьетнамской войны – это именно янки, те самые, со страниц Жюля Верна. Предприимчивые, энергичные, сообразительные, не чурающиеся физического труда, не боящиеся временных трудностей и отсутствия комфорта. А вот дальше – да, дальше это уже американцы. Так вот, когда мы говорим о времени зарождения атомного проекта США, мы говорим именно о янки. Да, присутствие в США физиков-эмигрантов имело очень большое значение для успешного развития атомного проекта, но основная роль все равно оставалась за янки. Без их работы не были бы получены в самые сжатые сроки очень важные результаты: не был бы открыт плутоний-239, не удвоилась бы потребность в создании атомного реактора, не был бы разработан диффузионный способ обогащения урана.

Продолжение читать тут




Tags: История, ЯО
Subscribe

Posts from This Journal “ЯО” Tag

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments