Что бы вы сделали, получив Нобелевскую премию? Физик Энрико Ферми, получивший премию по физике в 1938 году за открытие ядерных реакций, вызванных медленными нейтронами, решил потратить ее на переезд. В то время в Италии в полную силу разворачивался фашистский режим, и супруге Ферми, еврейке по национальности, становилось небезопасно жить в стране. Поэтому семья перебралась за океан — в США. Именно там открытие, сделанное Ферми еще на родине, получило практическое воплощение и повлияло на дальнейшую историю человечества.
Нейтрон — это сила!
В 1935 году Фредерик и Ирен Жолио-Кюри получили Нобелевскую премию по физике за «выполненный синтез новых радиоактивных элементов». В своих экспериментах они бомбардировали образцы бора, бериллия и алюминия альфа-частицами. В результате эти химические элементы превращались в новые — фосфор и азот, которые, в свою очередь, тоже были радиоактивными. Таким образом физики открыли путь к получению новых элементов искусственным путем.
Но французские физики не до конца поняли суть происходящих явлений. Они полагали, что радиация, возникающая в результате бомбардировки альфа-частицами, представляет собой ядро атома водорода, то есть протон. Однако другие исследователи с ними не согласились — в результате работавший в Кембридже Джеймс Чедвик предположил, что полученная радиация — это гипотетическая элементарная частица нейтрон, и доказал ее существование.
Основываясь на этих открытиях Энрико Ферми в 1934 году провел свои первые эксперименты в области ядерной физики, облучая образцы химических элементов нейтронами. Ученый понял, что нейтроны, будучи нейтрально заряженными, не будут отталкиваться ядрами атомов, поэтому являются лучшим «бомбардировочным материалом» для их расщепления. Также Ферми предположил, что в результате подобных экспериментов можно получить большое количество новых радиоактивных изотопов (вариантов одного химического элемента, имеющих разное количество нейтронов в ядре). В итоге человечество получило все предпосылки для открытия цепной реакции.
Неизвестно, по какому бы пути пошла дальнейшая история, если бы нобелевский комитет, известный своей нерасторопностью в награждении выдающихся ученых, промедлил с вручением премии Ферми. Как бы там ни было, но в 1939 году физик вместе с женой Лаурой и двумя детьми отправился в Стокгольм, после чего не вернулся в Италию, а эмигрировал в США. Там сразу пять университетов предложили ему профессорское место. Ферми выбрал Нью-Йорк и стал работать в Колумбийском университете.
Передаем по цепочке
В США Ферми продолжил исследование нейтронов и их участия в ядерных реакциях. В 1939 году физик предположил, что деление ядра урана приводит к испусканию быстрых нейтронов. Так называют нейтроны, чья кинетическая энергия больше какой-то установленной величины — для ядерных реакторов это, как правило, больше 0,1 мегаэлектронвольт. Кроме того, Ферми также предположил, что если число выпущенных электронов превысит число поглощенных, то можно будет говорить о самоподдерживающейся цепной реакции. В эксперименте теория подтвердилась — правда, на первых порах не удалось точно установить количество быстрых нейтронов, а следовательно, понять, хватит ли их для поддержания цепной реакции.
Чтобы применить теорию на практике, Ферми взялся за разработку уран-графитовой системы (уран был известен как радиоактивный от природы элемент, а графит было просто достать в больших количествах) и способов поддержания цепной реакции в ней. Для исследований и практической реализации этих наработок была основана секретная Металлургическая лаборатория Чикагского университета под руководством физика Артура Комптона. В нее вошли физики и химики, которые работали над всеми аспектами строительства реактора для поддержания цепной реакции. Конечной целью ставилось создание промышленного ядерного реактора для получения оружейного плутония.
Для начала самоподдерживающейся цепной реакции необходима некоторая минимальная масса делящегося вещества — критическая масса. Другая важная величина — это коэффициент размножения нейтронов, отношение числа нейтронов последующего поколения к предыдущему. Для поддержания реакции коэффициент должен равняться единице. Если он меньше единицы, то состояние системы называют подкритическим, и реакция затухает. Если больше единицы, то это надкритическое состояние, и реакция разгоняется.
Ученые Металлургической лаборатории экспериментировали с подкритическими состояниями уран-графитовой системы для того, чтобы определить, сколько материала им понадобится в результате. Наконец, после серии экспериментов, занявших больше года, к июню 1942 года удалось получить коэффициент размножения нейтронов больше единицы. Можно было приступать к строительству реактора.
Лаборатория под стадионом
Строительство реактора начали в подтрибунных помещениях пустовавшего на тот момент университетского стадиона Stagg Field. Так как Ферми опасался, что атмосферный азот будет эффективно поглощать нейтроны, реактор решили заключить в непроницаемую оболочку, из которой при необходимости можно было выкачать воздух. Ее создали на заводе Goodyear, изготавливавшем оболочки для аэростатов, — разумеется, там никто не знал, для чего они делают «квадратный воздушный шар».
Закрепив оболочку, ученые стали собирать реактор. Он представлял собой слои графитовых блоков. Блоки каждого второго слоя были полые и содержали внутри брикеты из оксида урана. На тот момент получение металлического урана было сопряжено с большими трудностями, поэтому его использовали только в центральной части реактора. Элементы для реактора создавали на месте — оксид урана прессовали на гидравлическом прессе, а графитовые блоки выпиливали на деревообрабатывающем станке.
В результате сооружение напоминало поленницу — поэтому первый реактор и прозвали «Чикагской поленницей». Для управления реакцией предусматривались регулирующие стержни из кадмия и бористой стали, эффективно поглощавшие нейтроны, — они управлялись с пульта. Также был вручную извлекавшийся стержень для запуска реактора и аварийный стержень. Последний просто висел на веревке над поленницей. В случае чего веревку можно было обрезать — стержень падал в реактор и глушил его. Системы охлаждения у реактора не было (вернее, предполагалось, что если штука сильно разогреется, то ее будут просто поливать водой). Не было и никакой биологической защиты — в результате непосредственно у реактора радиационный фон достигал 3 рентген в час (обычным считается уровень 10–20 микрорентген в час).
После укладки каждого слоя физики замеряли уровень нейтронов, чтобы понять, достигли ли они уже критической массы. 1 декабря 1942 года стало понятно, что можно начинать эксперимент по запуску реакции. К тому моменту высота «Чикагской поленницы» составляла шесть метров, на нее ушло 5,4 тонны металлического урана, 45 тонн оксида урана и 360 тонн графита.
2 декабря начался самый главный эксперимент. В его ходе была продемонстрирована первая в мире самоподдерживающаяся цепная реакция. Хотя она продолжалась всего 28 минут, а коэффициент размножения нейтронов лишь немного превысил единицу, «Чикагская поленница» подтвердила: цепная реакция возможна. Человечество сделало первый шаг к атомной эре.