Люди и атомы - Уильям Лоуренс

Из Калифорнийского университета поступило сообщение, что инертный, не расщепляющийся тяжелый уран- 238 может быть превращен с помощью нейтронов в совершенно новый, не существующий в природе 94-й элемент, расположенный на две ступеньки атомной лестницы выше урана (92-го элемента).

Это открытие было особенно важным в связи с тем, что 94-й элемент, позднее названный плутонием, был так же эффективен в качестве расщепляющегося элемента, как и недоступный уран-235. Особенно большое значение имело то обстоятельство, что плутоний отличался от урана в химическом отношении, и поэтому его можно было отделить от урана-238. Другими словами, препятствие, которое делало невозможным отделение урана-235 от урана-238, могло быть полностью преодолено, если бы мы обошлись без урана-235.

Но как только был найден путь для обхода одного из серьезных препятствий, выдвинутых природой, ученые столкнулись с другими трудностями. Производство плутония из урана-238 требовало огромного количества нейтронов, и единственный путь получения этих нейтронов — деление урана-235 в ходе цепной реакции, само протекание которой было невозможно ввиду наличия не расщепляющегося урана-238!

«Это просто зловредность природы»,— вздыхал Ферми.

Действительно, природа вела злую игру с человеком. Сначала она показала ему элемент, который был ключом для энергетической установки космоса, но смешала этот элемент с большим количеством другой его разновидности, которая мешала зажечь атомный огонь. Затем она повертела перед носом человека другим элементом, также подходящим для этих целей, который мог быть создан из самого гасителя огня, но при этом поставила создание нового элемента в зависимость от горения атомного огня, что было невозможно из-за присутствия гасителя огня.

Однако с самого начала Бор и Уилер предположили, что у элемента, похищающего нейтроны и гасящего огонь, есть одно слабое место, "которое, если его полностью использовать, устранит возникшее препятствие. Их выводы показали, что беспокойный уран-238 может выполнять свою роль похитителя нейтронов — что мешало ходу цепной реакции — лишь при строго определенных условиях. Изменение этих условий ослабит его силу.

Выводы Бора и Уилера явились серьезным основанием для того, чтобы считать, что уран-235 может быть расщеплен нейтронами большой энергии, несущимися со скоростью более чем 220 тысяч метров в секунду, так же как и очень медленными нейтронами, заторможенными замедлителем до скорости 22 метра в секунду. Бор и Уилер показали, что «нейтронный вор» — уран-238 — может похищать нейтроны лишь высоких скоростей, в то время как уран-235 имеет пристрастие к медленным нейтронам, движущимся на малых скоростях, и притягивает их к ядру прежде, чем «нейтронный вор» в ядре урана- 238 захватит их. Другими словами, это означало, что уран-238 совершенно бессилен помешать началу и ходу цепной реакции в уране-235, вызванной нейтронами, замедленными до крайне малых скоростей — не более 22 метров в секунду.

Сценой для показа этого нового научного триумфа должно было служить сооружение, возведенное из блоков естественной смеси урана и больших блоков графита — того вида углерода, который употребляется в обычных карандашах. По мнению Ферми, это был самый экономичный замедлитель нейтронов.

Ферми, Сциллард и их коллеги подсчитали, что в таком сооружении вылетевшие из урана-235 нейтроны, пройдя через слой графита в сорок сантиметров, снизят свою скорость до 22 метров в секунду. Медленные нейтроны, оказавшись, таким образом, за пределами досягаемости «нейтронного вора», смогут начать самоподдерживающуюся цепную реакцию в уране-235.

Медленные нейтроны, движущиеся со скоростью 22 метра в секунду, будут вести себя по отношению к урану-235 как мощные магниты, притягивающие железные опилки, разбросанные в огромной куче песка.

Управление таким атомным огнем можно осуществить, регулируя число нейтронов, находящихся в этой конструкции, в любой данный отрезок времени. Это можно сделать с помощью стержней, изготовленных из соответствующих элементов, таких, как бор и кадмий, которые сильно притягивают нейтроны. Если число нейтронов становится слишком большим, а это может повести к бесконтрольному атомному пожару, в установку автоматически вводятся стержни из бора и кадмия. С другой стороны, если нейтронов становится слишком мало, стержни выдвигаются. Стержни размечаются на дюймы, и каждый дюйм соответствует способности поглощать определенное число нейтронов.

Решетка из графитовых блоков, поставленных вперемежку через определенные интервалы с блоками из естественного урана и стержнями из кадмия и бора, должна считаться одним из величайших технических достижений в истории человечества. С момента появления замысла этой конструкции дорога в атомный век была открыта.

ГЛАВА 9

Первый атомный огонь

После того как армия и флот выделили в 1940 г. Колумбийскому университету 6 тысяч долларов, Ферми закупил огромное, по тем масштабам, количество графита. Чистого металлического урана тогда не было, и ему пришлось воспользоваться окисью урана. А так как и графит, и окись урана — вещества черного цвета и с ними пришлось много возиться, то вскоре Ферми и его бригада «каменщиков» с седьмого этажа Пьюпин-холла стали похожи на шахтеров, и их жены недоумевали, ибо ученые обязались соблюдать секретность и не могли им ничего объяснить.

«Мы знали, что о наших делах ходят слухи,— вспоминал Ферми за несколько месяцев до своей смерти, в ноябре 1955 г.,— но, в конце концов...»

Из графита они воздвигали колонны высотой в 3 и шириной в 1,2 метра. Впервые Ферми имел дело с таким большим устройством, что ему приходилось вскарабкиваться по лестнице, чтобы попасть на его верх. «Я не настолько высокий»,— говорил он. Наконец колонна из графита уперлась в потолок, но оказалось, что она все еще слишком мала. Тогда Ферми пошел к декану Пегрэму — человеку, «который мог творить чудеса в университете»,— и объяснил ему, что им нужна «по-настоящему большая комната».

«Пегрэм ответил, что церковь, по-видимому, не со.- всем подходящее место для физической лаборатории, но я сказал, что церковь как раз нам подошла бы больше всего,— рассказывал Ферми.— Поэтому Пегрэм начал рыскать по территории университета. Мы с ним лазили по темным коридорам и под трубами центрального отопления и, наконец, в Шермерхорн-холле нашли большую комнату, хотя и не церковь, но нечто сравнимое с нею по величине».

«Здесь,— продолжал Ферми,— мы стали возводить наше сооружение, которое тогда нам казалось самым большим на свете. Правда, если бы сейчас кто-нибудь решил взглянуть на это сооружение, ему, возможно, надо было бы рассматривать его чуть ли не через увеличительное стекло. Но для того времени оно казалось действительно большим. Это было сооружение из графитовых блоков, среди которых своеобразным узором были поставлены банки, кубические банки с окисью урана.

Вы знаете, что графит — черный. Черной является и окись урана. И если вы имеете дело с многими тоннами обоих веществ, вы тоже становитесь очень черным. Кроме того, для переноски этих тонн нужна физическая сила. Мы были довольно сильными людьми, но ведь прежде всего мы были мыслителями.

Поэтому декан Пегрэм подумал и сказал: «Да, эта работа несколько превышает ваши силенки, но в Колумбийском университете есть футбольная команда из дюжины очень крепких парней, которые берут почасовую работу, чтобы оплатить свое пребывание в колледже. Почему бы вам не нанять их?».

Это была чудесная мысль. Было просто приятно руководить работой этих крепких ребят, которые упаковывали уран, запихивая его в банки, ворочая мешками по 25 или 45 килограммов с такой же легкостью, как кто- либо другой передвигает тяжесть в полтора или два килограмма. Они перебрасывали эти банки так, что черная пыль стояла столбом».

В начале 1942 г. Ферми и его команду вместе с графито-урановым сооружением перевели в Чикаго, который стал центром исследований цепной реакции. Организация, осуществляющая атомный проект и руководимая профессором Артуром X. Комптоном, получила кодовое наименование — «Металлургическая лаборатория».

2 декабря 1942 г. в мрачном здании Стэгг-Филда Чикагского университета был проведен ответственный эксперимент, доказавший возможность создания атомной бомбы и означавший официальное открытие атомного века. В этот день после многих месяцев напряженного труда в обстановке большой секретности ученые узнали, что всего один расщепленный атом урана может освободить энергию, достаточную для расщепления двух других атомов, два атома расщепят четыре, и так далее в геометрической прогрессии. Это означало, что в ходе самопроизвольной цепной реакции произойдет атомный взрыв, подобный взрыву цепочки ракет.

В тот исторический декабрьский день они закончили первую атомную печь (именуемую также «котлом», или «ядерным реактором») из блоков урана и графита, в которой был зажжен первый атомный огонь на Земле. Действительно, это был первый огонь на Земле, происходивший не от солнечного света. Фактически он был также первым атомным взрывом, хотя и небольшим и контролируемым. Во всяком случае ученые рассчитывали, что сумеют удержать его под контролем. Но они не были в этом полностью уверены, и их мучили кошмарные видения чикагского пожара, более разрушительного, чем тот, причиной которого была корова госпожи О’Лири *. Конечно, они приготовили все известные науке средства для тушения огня, но так как никто из них до сих пор не зажигал атомного костра, они не могли дать точной гарантии того, что средства управления, испытанные до сих пор лишь в масштабах небольшой лаборатории, сработают.