В делении сила. Ферми. Ядерная энергия. - Antonio Hernandez-Fernandez

Фраза Ферми, свидетельствующая о его прагматизме

По мере того как вынимались кадмиевые стержни, активность нейтронов росла и приближалась к критической. Когда Вейль достал последний стержень, Ферми улыбнулся и прервал всеобщее молчание: «Реакция поддерживается сама». Критическое состояние было достигнуто к 15:22. Ферми оставил реактор включенным в течение 28 минут на максимальной мощности всего в 0,5 Вт, после чего попросил Зинна ввести стержень Zip. Увы, при этом событии, состоявшемся 2 декабря 1942 года, не присутствовали фотографы, и никто не увековечил момент запуска первого реактора с самоподдерживающейся ядерной реакцией — все связанное с этим было военной тайной.

Юджин Вигнер открыл бутылку кьянти — что лучше итальянского вина могло воздать дань уважения Ферми! Все выпили молча и с облегчением: ничего не взорвалось. Лео Силард воскликнул: «Это счастливый день в истории человечества!» Так появилась «Чикагская поленница — 1» (СР-1), первый искусственный ядерный реактор в мире. Это был еще один шаг к созданию атомной бомбы. Только после окончания войны, на симпозиуме в Филадельфии, который состоялся 17 ноября 1945 года, Ферми описал этот поворотный момент в истории человечества в статье «Создание первого ядерного котла*. А в военном докладе «Экспериментальное осуществление расходящейся цепной реакции», сделанном в декабре 1942 года и обнародованном годы спустя, Ферми написал:

«Деятельность физического отделения в этом месяце была посвящена в основном экспериментальному созданию расходящейся цепной реакции. Структура для производства ядерной реакции была закончена 2 декабря и с этого момента работает удовлетворительно».

ГЕНРИ ФАРМЕР

В 1943 году генерал Гровс приставил телохранителей ко всем ведущим ученым, принимавшим участие в Манхэттенском проекте, а также к тем, кто, по его мнению, подвергался наибольшему риску. К Ферми был приставлен Джон Баудино — сын итальянских эмигрантов, который почти не говорил по- итальянски. Благодаря своему происхождению он стал тенью Ферми вплоть до конца войны. Гровс опасался, что за Ферми будут охотиться итальянские шпионы: работа ученого имела огромное значение для США, поэтому его необходимо было защищать и даже контролировать. «Чикагская поленница» проработала до февраля 1943 года. Потом ее разобрали и перевезли в Аргоннскую лабораторию, где она была перестроена с добавлением радиологической защиты и получила название «Чикагская поленница — 2» (СР-2). В марте 1943 года она уже работала и достигла критического состояния. Ферми делегировал задачи ядерной инженерии (эта дисциплина появилась вместе с созданием СР-1) компании DuPont и другим военным проектам, пришедшим на смену СР-1, целью которых было получение плутония и обогащение урана. Это были лаборатории Ок-Ридж, Хэнфордский комплекс и Лос-Аламосская лаборатория. Большая часть группы, которую Комптон собрал для работы над СР-1, была перераспределена между новыми военными проектами.

Таким образом, Ферми мог сосредоточиться на области, которая интересовала его больше всего,— на базовой физике. С 1943 по 1944 год он продолжал работать в Аргоннской лаборатории вместе с прежними коллегами: Андерсоном, с которым у него сложилось особое взаимопонимание, Джоном Маршаллом и Леоной Вудс (летом 1943 года она вышла замуж за Маршалла и взяла его фамилию). Ученые сдружились и часто проводили вместе то небольшое количество свободного времени, которым располагали. Также они совместно написали несколько статей о возможности замедления нейтронов с помощью графита.

[Чудо — это] любое явление с вероятностью ниже 20 %.

Ответ Ферми на вопрос о том, что он считает чудом

Технический прогресс позволил Ферми систематизировать анализ оптических свойств нейтронов, которому он посвятил несколько статей, написанных вместе с Зинном. Теперь он мог получить и правильно измерить коллимированные пучки нейтронов высокой интенсивности. Необходимо подчеркнуть, что открытие коллимированных пучков света, таких как лазер, произошло лишь 15 лет спустя, поэтому изучение свойств структуры материалов посредством коллимированных пучков нейтронов означало новую эру в физике твердых тел.

В июне 1944 года был закончен новый атомный реактор («Чикагская поленница — 3»), в котором вместо графита замедлителем выступала тяжелая вода. Вскоре Ферми использовал его для экспериментов с нейтронами и подробного анализа их свойств, таких как показатель преломления нейтронов в опытах по их рассеянию. Война обязывала заниматься определенными задачами, и от этого никто не мог уклониться. Без сомнения, Ферми обладал самым большим мировым авторитетом в своей области и периодически посещал «место X» в Ок-Ридже и Ханфорде, где компания DuPont конструировала реакторы, а также выступал главным консультантом Лос-Аламосской лаборатории по созданию реакторов.

В июле 1944 года Джулиус Роберт Оппенгеймер, руководивший проектом Y2 в Лос-Аламосе, несколько раз приезжал в Чикаго, чтобы убедить Ферми переехать в так называемое «место Y». У Оппенгеймера возникли различные сложности в ходе проектирования атомной бомбы, и на него начал оказывать давление сам президент. Он понимал, что сможет добиться успеха с помощью Ферми. Приказ был ясен: собрать в Лос-Аламосе как можно больше ученых и ускорить процесс создания атомной бомбы. У семьи Ферми не было выбора: им пришлось переезжать в Лос-Аламос. В конце августа Лаура с детьми отправились в «место Y», а Энрико задержался в Хэнфорде, помогая DuPont решить проблемы с новыми сборками. Прибыв в Лос-Аламос, Лаура обнаружила, что теперь стала женой Генри Фармера: в целях безопасности все ученые, занятые в проекте, и их родственники должны были сменить имя.

Всего за несколько недель до этого, 11 июля 1944 года, в Чикаго Лаура и Энрико поклялись в преданности Соединенным Штатам и получили американское гражданство. Произошло это через пять лет после их переезда в Америку. Когда новоиспеченный Генри Фармер приехал в Лос-Аламос, то увидел, что его семья живет в гораздо более скромных условиях, чем в Чикаго.

Общее руководство Манхэттенским проектом осуществлял Оппенгеймер, а Ферми был назначен одним из директоров. В частности, он отвечал за так называемый отдел F, названный так по первой букве его фамилии (и старой, и новой). Ум и всестороннее знание вопроса помогали ученому решать задачи, перед которыми пасовали работники остальных отделов. Именно в Лос-Аламосе Ферми впервые заинтересовался компьютерами. Для упрощения вычислений Николас Метрополис, Ричард Фейнман и особенно Джон фон Нейман занялись установкой и программированием новой электромеханической вычислительной машины, IBM. В ее задачи входило прогнозирование детонации бомб, и Ферми провел вместе с Андерсоном много часов, анализируя и испытывая новую технику.

АТОМНАЯ БОМБА

Идея, лежащая в основе атомной бомбы, была проста: надо было быстро собрать части вещества, способного к делению, так, чтобы при достаточной критической массе цепная реакция вышла из-под контроля и по достижении критического состояния высвободилось такое количество энергии за такое короткое время, чтобы произошел взрыв. Если энергия высвобождалась медленно, то взрыва не было: максимум получалась небольшая вспышка, которую словно бы испускает бракованная петарда. Если же, наоборот, цепная реакция начиналась раньше положенного времени, то бомба не достигала цели и могла поразить союзные войска.

В Лос-Аламосе было открыто, что для получения эффективной атомной бомбы нужно выстрелить тяжелым шаром урана-235 по ядру того же урана-235, чтобы детонация была достаточно быстрой, а цепная реакция не начиналась раньше времени, замедляя высвобождение энергии. Эта пушечная система впоследствии использовалась при создании ядерной бомбы для Хиросимы, но она работала недостаточно хорошо. Зато плутоний-239, производимый реакторами Хэнфорда, содержал нужное количество изотопов плутония-240, который распадался спонтанно, не вступая в цепную реакцию. Спонтанное деление плутония-240 приводило к преждевременной цепной реакции и вызывало дефективный взрыв. Проблема плутония-240 и его спонтанного деления так беспокоила Ферми, что Оппенгеймер начал сомневаться в том, что создать атомную бомбу вообще возможно. Ферми попробовал уменьшить количество плутония-240, производимого реакторами Хэнфорда, но результат оставался неудовлетворительным. В конце концов Сет Неддермейер понял, как создать плутониевую бомбу. Его идея состояла в том, чтобы получить сферический взрыв плутония. Для этого была важна концентрация материала, поскольку данный взрыв направлен внутрь. При помощи специалиста по взрывчатым веществам Георгия Кистяковского Неддермейер придумал, как добиться того, чтобы ударная волна конвенционального взрыва сжала плутониевый шар вдвое по сравнению с его обычным размером и быстрее, чем цепная реакция, вызванная пушечным методом (см. рисунок). Сжатая сфера плутония легко достигала надкритичности.