<- | Страница 109 | ->
измерения, также типичен для значительной части работ по физике в этот период). Описание этого опыта приведено в Приложении 3. Результаты эксперимента показали, что 1% нейтронов, испускаемых при делении урана, запаздывает по меньшей мере на 0,01 секунды и что около 0,7% запаздывают даже на целую минуту. Проектируя котел так, чтобы эффективное значение коэффициента размножения k было равно только 1,01, можно получить достаточное число запаздывающих нейтронов, чтобы добиться легкого управления.
6.27. К осени 1942 года в Чикаго можно было получить достаточно графита, окиси урана и металлического урана для того, чтобы сделать попытку построить настоящий котел с саморазвивающейся цепной реакцией. Однако, количество имевшегося в распоряжении металлического урана было мало только около 6 тонн, да и другие материалы также имелись не в изобилии и были различного качества. Именно эти условия, больше, чем оптимальная эффективность, определяли проектирование.
6.28. Котел был построен с графитом в качестве замедлителя и блоками металлического урана или окиси в качестве реагирующих элементов, правильно расположенными в графите в виде решетки. Приборы, расположенные в различных точках котла или вблизи его, указывали интенсивность нейтронов, а передвижные стержни из поглощающего вещества служили для управления (более полное описание котла дано в Приложении 4). Так как в котле неизбежно существуют нейтроны спонтанного деления или других источников, было ясно, что реакция начнется тотчас же, как только конструкция достигнет критических размеров, если управляющие стержни не будут поставлены в положение "задержки". Вследствие этого, управляющие стержни ставились в соответствующее положение "задержки" с самого начала, и интенсивность нейтронов часто измерялась. Это оказалось счастливым обстоятельством, так как обнаружилось, что подход к критическому состоянию происходит на более ранней стадии сборки, чем это предполагалось заранее.
6.29. Впервые котел начал действовать 2 декабря 1942 г. Насколько нам известно, это был первый случай, когда человеку
<- | Страница 110 | ->
удалось создать самоподдерживающуюся ядерную цепную реакцию. Первоначально котел действовал при мощности в 1/2 W, но 12 декабря мощность была повышена до 200 W.
6.30. При этих экспериментах прямых измерений выделяющейся энергии не производилось. Число нейтронов, испускаемых котлом в секунду, выражалось через активность стандартных листочков индия. По известному числу нейтронов, освобождаемых на каждое деление, вычислялось количество выделяющейся энергии.
6.31. Эксперимент, осуществленный 2 декабря как раз тогда, когда Обзорный комитет оценивал Чикагский проект, давал не оставляющий и тени сомнения ответ на первый вопрос, стоявший перед Металлургической лабораторией: самоподдерживающаяся ядерная цепная реакция была получена в установке, применяющей нормальный уран. Эксперимент был выполнен под общим руководством Э. Ферми с помощью, главным образом, групп, возглавляемых У.Г. Цинном и Г.Л. Андерсоном. На обязанности В.К. Вильсона и его группы лежала в основном разработка приборов и органов управления; многие другие работники этой лаборатории способствовали успеху всей этой работы.
6.32. Непосредственной целью постройки урано-графитового котла было доказать, что существуют условия, при которых произойдет цепная реакция; конечной же целью лаборатории было производство плутония при помощи цепной реакции. Поэтому интересно найти зависимость между мощностью, при которой котел работает, и количествами производимого им плутония. В первом приближении эту зависимость можно оценить довольно легко. Устойчиво работающий котел должен производить столько же нейтронов, сколько он их теряет. На каждый тепловой нейтрон, поглощенный ураном-235, испускается определенное число η нейтронов. Для поддержания цепной реакции необходим один из этих нейтронов. Отсюда предполагая, что все остальные нейтроны поглощаются ураном-238 для образования плутония, получим, что на каждое деление будет образовано η-1 атомов
<- | Страница 111 | ->
Каждое деление приближенно освобождает 200 MeV энергии. Поэтому образование η-1 атомов плутония сопровождается освобождением около 200 MeV. Так как η-1 малое число, то видно, что для производства в котле одного килограмма плутония в день необходимо, чтобы котел освобождал от 500 000 до 1 500 000 kW энергии. Первый котел, который мы только что описывали, имел мощность 200 W. Считая, что одна бомба потребует от одного до 100 кг плутония, мы приходим к выводу, что описанный котел должен был бы непрерывно действовать по меньшей мере 70 000 лет для того, чтобы произвести одну бомбу. Очевидно, количественная проблема производства плутония еще не была решена.
6.33. Второй специальной задачей Металлургической лаборатории было показать, что если цепная реакция получится, то можно будет отделить плутоний химическим путем от других веществ, вместе с которыми он находится. Успехи в достижении этой цели были меньше, чем в осуществлении цепной реакции. Сначала Металлургическая лаборатория мало занималась химическими вопросами, хотя задача выделения плутония обсуждалась на конференции вскоре после того, как был организован Металлургический проект и была стимулирована работа группы Сиборга по плутонию в Калифорнийском университете. 22-23 апреля 1942 г. состоялась общая конференция по химии в Чикаго, на которой присутствовали: Ф.Г. Спединг, Э.В. Тиле, Дж.Т. Сиборг, Дж.В. Кеннеди, Г.К. Юри, Э. Вигнер, Н. Хнлбери, Дж. Э. Бойд, И.Б. Джонс, Г.А. Вильгельм, И. Перльман, А.К. Валь и Дж.А. Уилер. Открывая собрание, Спединг подчеркнул, что перед химиками стоят две главные задачи: первая выделить плутоний в достаточных количествах и достаточной чистоты, необходимых для военных целей; вторая добиться хорошей разработки тех вопросов химии, которые необходимы для постройки и эксплоатации котла. Проблема выделения плутония должна была изучаться новой группой под руководством Сиборга в Чикаго, Джонсоном и Вильгельмом в Эймсе и Валем и Кеннеди, продолжающими работу в Калифорнии. Другими группами, близко примыкающими к указанным в Чикаго, были: группа К.Д. Корайла, работающая над вопросами химии продуктов деления, и группа
<- | Страница 112 | ->
Бойда, занятая аналитическими проблемами. С того времени группа химии в Чикаго быстро разрослась. Для размещения ее в конце 1942 года пришлось построить специальное здание, которое впоследствии было расширено. В общем, разрешение многих химических вопросов было одним из наиболее замечательных достижений Металлургической лаборатории.
6.34. Первым открытым и изученным изотопом плутония был не изотоп 239. а изотоп 238, испускающий α-лучи и имеющий период полураспада около 50 лет.
К концу 1942 года было получено немного более 500 мкг в виде чистых солей плутония. Хотя это количество меньше, чем необходимо для изготовления головки ударника, оно позволило микрохимикам получить значительные сведения, так как химики считают, что для проведения экспериментов по взвешиванию, титрованию,
<- | Страница 113 | ->
изучению растворимости и т.д. достаточно одного микрограмма.
6.35. Исходя из положения плутония в периодической таблице, можно было ожидать его сходства с редкими землями или ураном, торием или осмием. С каким из них он более схож, зависит, конечно, от расположения внешних электронов, а это расположевие вряд ли могло быть предсказано. В результате оказалось, что плутоний более похож на уран, чем на любой другой из названных элементов, и его даже можно рассматривать, как второй член нового ряда редких земель, начинающегося с урана. Довольно рано было открыто, что имеются, по крайней мере, две степени окисления плутония (теперь известно, что имеются четыре отвечающие положительным валентностям 3, 4, 5 и 6). Успешное изготовление некоторых солей плутония микрохимическим путем и изучение их свойств привели к общему заключению, что плутоний можно отделить химическим путем от других веществ в котле. Это заключение является решением второй неотложной задачи Металлургической лаборатории. Таким образом, к концу 1942 г. плутоний, совершенно неизвестный 18 месяцев ранее, считался элементом, химические свойства которого были так же хорошо изучены, как и свойства ряда давно известных элементов периодической системы.
6.36. Кроме основных проблем, которые мы отметили, т.е. цепной реакции, химического разделения и проектирования производственной установки, должно было быть разрешено бесчисленное множество второстепенных вопросов. Среди более важных из них были: улучшение счетчиков нейтронов, ионизационных камер и других приборов, изучение коррозии урана и алюминия под действием воды и других возможных охлаждающих веществ, определение влияния температуры на поперечные сечения для нейтронов, изготовление урановых стержней и трубок, изучение продуктов деления и определение биологических эффектов излучений, Как на типичный пример такого рода исследований, можно сослаться на разработку метода производства металлического урана и защитного покрытия для него, выполненную под руководством
<- | Страница 115 | ->
Э. Кройтца. Без этих второстепенных исследований Проект не смог бы быть выполнен. Чтобы дать дальнейшее представление о размахе работ, в Приложении 5 приведены названия двадцати докладов, выбранных из 400 или около того, составленных в течение 1942 г.
6.37. Третьей неотложной задачей Металлургического проекта являлось накопление теоретических и экспериментальных данных по реакции на "быстрых нейтронах", развивающейся в атомной бомбе. Эта работа была первоначально запроектирована и координирована Г. Брейтом (Висконсинский университет) и позже была продолжена И.Р. Оппенгеймером (Калифорнийский университет). Так как окончательная конструкция бомбы должна была быть заключительной частью Проекта, срочность изучения таких реакций была не так велика. Поэтому теоретическим вопросам уделялось мало внимания до лета 1942 г., когда в Чикаго была организована группа под руководством Оппенгеймера.
6.38. Тем временем, экспериментальные работы, начатые по инициативе Г. Брейта, успешно развивались под общим руководством Металлургического проекта в тех институтах, которые имели оборудование, пригодное для изучения быстрых нейтронов (Вашингтонский Институт Карнеги, Национальное Бюро Стандартов, Корнельский университет, Университет Пардью, Чикагский университет, Минезотский университет, Висконсинский университет, Калифорнийский университет, Университет Стэнфорда, Индианский университет и Институт Райса).
Темами исследовательских работ были: поперечные сечения рассеяния, поглощения и деления, спектр энергии нейтронов, освобождающихся при делении, запаздывание при испускании нейтронов при делении. Эти работы большей частью представляли промежуточную ступень, т.е. только проверяли и расширяли предшествующие измерения, и не давали новых окончательных выводов. Этот вид работ позднее был сосредоточен в другом месте (см. гл. XII).
6.39. Как было указано в одном из отчетов (Feasibility Report; раздел, написанный Дж.Г. Мэнни, И.Р. Оппенгеймером, Р. Сербером
<- | Страница 115 | ->
и Э. Теллером), за год со времени выпуска отчета Национальной Академии картина существенно изменилась только в одном отношении. Теперь теоретические исследования показали, что эффективность атомной бомбы, в части ее разрушительной силы, будет больше, чем указано в отчете Национальной Академии. Однако, ее критические размеры оставались все еще неизвестными. Методы детонации бомбы были исследованы лишь в некоторой степени, но в целом, определенный ответ не был получен.
6.40. Как мы уже видели, первоочередные задачи Металлургической лаборатории были решены к концу 1942 г., но конечные цели производство больших количеств плутония и проектированне и изготовление бомб были все еще далеко не достигнуты. Ответственность за проектирование и изготовление бомб к этому времени была возложена на другую группу; ее работа описана в главе XII. Получение достаточных количеств
6.41. На основании имеющихся данных можно было считать, что необходимо производить плутоний в пределах от одного килограмма в месяц до одного килограмма в день. Для производительности в 1 килограмм в день нужна была бы установка мощностью от 500 000 до 1 500 000 kW. (Предполагается, что предельная мощность гидроэлектрической станции у плотины Гранд-Кули будет около 2 000 000 kW). Очевидно создание плутониевой установки требуемых размеров должно было бы представлять собой грандиозное предприятие, даже без попыток использования освобождаемой тепловой энергии. Тем не менее, к ноябрю 1942 г. большинство задач было хорошо определено, и были намечены попытки
<- | Страница 116 | ->
решения вопроса. Хотя эти проблемы будут подробно рассмотрены в следующей главе, мы упомянем о них уже здесь.
6.42. Так как в любом котле, производящем заметные количества плутония, выделяется большое количество тепла, первой проблемой при проектировании является система охлаждения. Прежде чем проектировать эту систему, необходимо было найти максимальную температуру, при которой котел может безопасно работать, и факторы ядерные или конструктивные которые определяют эту температуру. Другой большой проблемой, осложнявшейся к тому же системой защиты и охлаждения, являлся способ загрузки и выгрузки урана. Защита от излучений должна была быть запроектирована как для самого котла, так и для установки по химическому методу разделения. Характер разделительной установки зависит от применяемого процесса разделения, который следовало выбрать. И, наконец, быстрота снабжения материалами и постройки должна являться основным фактором при проектировании как котла, так и химической установки.
6.43. После рассмотрения таких важных для постройки завода факторов, как охлаждение, эффективность, безопасность и быстрота постройки, Feasibility Report перечисляет следующие возможные типы установки в порядке их желательности:
I. (а) Решетка из обычного металлического урана в графитовом замедлителе с гелиевым охлаждением;
(b) то же самое, с водяным охлаждением;
(с) то же самое, с охлаждением расплавленным висмутом.
II. Решетка из обычного металлического урана в тяжелой воде, являющейся замедлителем.
III. Уран, обогащенный изотопом 235, с применением графита, тяжелой воды или обычной воды в качестве замедлителя.
Типы II и III не представляли непосредственного практического интереса, так как ни обогащенный уран, ни тяжелая вода не могли быть получены в достаточных количествах. Однако, разработка обоих этих методов продолжалась на случай, если другие типы окажутся неосуществимыми. Тип I(c), требующий охлаждения жидким висмутом, казался многообещающим с точки зрения использования выделяющейся тепловой энергии, но чувствовалось,
<- | Страница 117 | ->
что связанные с такой установкой технические проблемы не могут быть разрешены в течение долгого времени.
6.44. В течение этого периода во второй половине 1942 г., когда проектировались производственные установки, было признано желательным строительство установки промежуточных размеров. Такая установка была нужна по двум причинам: во-первых, в качестве опытной установки, во-вторых, для производства нескольких граммов плутония для экспериментальных целей, в чем ощущалась острая нужда. Запроектированный с воздушным охлаждением котел промежуточных размеров мощностью в 1000 kW, построенный в Клинтоне (Тенесси), мог служит для обеих целей, если бы было сохранено гелиевое охлаждение для основной установки. Хотя проекты основной установки были переделаны на водяное охлаждение, опытная установка оставалась с воздушным охлаждением в расчете, что вторая цель будет достигнута скорее. Таким образом она осталась опытной установкой только для химического разделения. Фактически основная установка была построена без помощи опытной установки в Клинтоне как если бы гидроэлектрические генераторы станции Гранд Кули были запроектированы только на основании опыта работы генератора совершенно другого типа и ничтожной мощности.
6.45. Как указывал Хилбери в Feasibility Report от 26 ноября 1942 г., перспективы графитового котла с гелиевым охлаждением казались многообещающими в отношении немедленного выпуска продукции; котел, использующий тяжелую воду в качестве замедлителя и тяжелую или обычную воду для охлаждения, представлялся более подходящим для конечного применения в установке промышленного масштаба. Был сделан ряд специальных предложений по строительству таких установок и по дальнейшему изучению возникших вопросов. Эти предложения базировались на оценках времени и стоимости, которые были, в силу необходимости, лишь грубыми догадками. В результате дальнейших исследований фактическая программа строительства, описанная в последующих главах, совершенно отличалась от предлагавшейся.
<- | Страница 118 | ->
6.46. Проблема накопления материалов, которая задерживала движение вперед, была по существу разрешена к концу 1942 г. В ноябре 1942 г. был построен небольшой урано-графитовый котел с саморазвивающейся реакцией, и 2 декабря 1942 г. он был впервые пущен в работу с мощностью в 1/2 W, а позже в 200 W. Он легко управлялся благодаря явлению запаздывания нейтронов.
С помощью циклотрона было получено и химически отделено от урана и продуктов деления 500 г плутония. Химия плутония была достаточно изучена, чтобы указать возможность его выделения в относительно больших масштабах. По теории бомб было сделано немного, но расчеты были проверены; были также расширены эксперименты с быстрыми нейтронами. Как бы то ни было, перспективы осуществления бомбы выглядели более благоприятно, чем год назад.
6.47. Для выяснения проблем, которые могли встретиться при конструировании и эксплоатации производственной установки большого масштаба, было сделано достаточно много экспериментов и проектов. Некоторые успехи были достигнуты в выборе типа установки, причем первый выбор в то время пал на котел из металлического урана и графита, охлаждаемый или гелием, или водой. Для строительства опытной и промышленной установок была разработана специальная программа. В этой программе приводились оценки времени и стоимости.