Энергия будущего

В Советском Союзе урановая проблема последний раз открыто обсуждалась в Москве в ноябре 1940 года на Всесоюзном совещании по физике атомного ядра.

И. Курчатов и Ю. Харитон выступили тогда с обстоятельными докладами об условиях осуществления цепной реакции.

После этого общение физиков СССР, США и других стран прервалось. Возобновилось оно только в послевоенные годы.

Что же касается количества нейтронов, вылетающих при делении урана, то их оказалось достаточно. Первые эксперименты, проведенные группой Ф. Жолио-Кюри, разрушили отчаянные надежды Л. Сцилларда на то, что ядерная реакция заглохнет. Освобождение энергии атома оказалось возможным: при делении одного ядра урана французские физики насчитали от 2,8 до 4,2 вылетающего нейтрона. Позже это число было уточнено: тщательные измерения показали, что количество освобождающихся нейтронов неодинаково в разных случаях деления и зависит от того, каким образом распалось ядро урана. При одном акте деления может быть всего один нейтрон, при другом - два, а при следующем - три.

Если подсчитать среднее число нейтронов, вылетающих при делении, то окажется, что оно равно 2,5.

Заканчивая рассказ об истории открытия деления урана, нельзя пройти мимо такого важного факта: большую часть фундаментальных открытий делали молодые ученые. В те годы Э. Ферми, И. Курчатову и Ф. ЖолиоКюри было всего по 30-35 лет. Да и ныне стало привычным, что самый большой творческий вклад в развитие науки вносят молодые исследователи. Их успех объясняется тем, что им легче выкорчевывать из своего подсознания устаревшие понятия и истины.

Открытие, сделанное в бассейне

Казалось бы, имеется все для создания установки по извлечению энергии ядра: есть уран-235, способный делиться, есть самопроизвольное деление урана, которое дает начало цепной реакции, и, наконец, для поддержания цепной реакции есть большое количество нейтронов, вылетающих при делении.

Если бы, скажем, возникло требование построить атомный реактор мощностью 500 ватт, работающий на протяжении пяти лет, то понадобился бы всего один грамм урана.

Однако нечего надеяться с помощью такого реактора вскипятить воду в чайнике (ведь 500 ватт - мощность обычной бытовой электроплитки), так как в нем не возникнет самоподдерживающейся цепной реакции.

Почему?

В какой-то момент в таком кусочке урана произойдет самопроизвольное деление хотя бы одного ядра. Допустим, при этом вылетят два нейтрона, которые, попав в еаходящиеся рядом два ядра урана, вызовут их деление... По логике вещей, должна получиться цепная реакция. Но быть уверенным в том, что два нейтрона, вылетевшие при самопроизвольном делении первого ядра, попадут в соседние ядра урана, нельзя.

Можео привести такой пример. Попробуйте, встав напротив открытого окна дома, попасть в него хотя бы теннисным мячиком. Можно с уверенностью сказать, что это сделать нетрудно. Но если, скажем, в каком-то заранее неизвестном месте будет подвешен спичечный коробок и попасть в него надо с закрытыми глазами, мячик, пожалуй, придется бросать несколько тысяч раз.

Точно в таком же положении находится и нейтрон, вылетевший из разделившегося ядра. Он тоже ничего "не видит", и весьма вероятно, что он пролетит мимо всех окружающих его ядер урана. Ведь кусок урана только нам кажется очень плотным, непроницаемым веществом.

Для нейтрона же это пустота, в которой ему лишь изредка попадаются ядра урана. Их объем в этом кусочке занимает всего одну десятитриллионную долю. Сам нейтрон по сравнению с этим "пустым" кусочком урана так же мал, как шарик объемом в один кубический миллиметр по Сравнению с Солнцем.

Чтобы рождающиеся нейтроны могли попасть в ядра урана, нужно на пути их полета увеличить количество этих ядер, а значит, увеличить толщину слоя урана, через который должны пролетать нейтроны. С ростом размеров куска урана, который мы можем называть реактором, все большее число нейтронов будет попадать в ядра урана, вызывая их деление.

При каком-то размере куска доля нейтронов, попадающих в ядра урана, будет достаточна для поддержания цепной реакции. Этот минимальный объем реактора, при котором обеспечивается самоподдерживающаяся цепная реакция, называют критическим объемом, а соответствующий вес урана - критической массой. Величина ее для урана-235 составляет около 50 килограммов.

Этот реактор мы "построили" целиком из урана.

Однако более распространены реакторы другого типа, в которых уран перемешан с каким-либо неделящимся элементом. Тогда критическая масса может быть гораздо меньшей.

Основной принцип, лежащий в основе построения такого реактора, был открыт Э. Ферми в 1934 году, когда вообще еще ничего не было известно о делении урана.

Вместе со своими сотрудниками Б. Понтекорво, Амальди и другими Э. Ферми занимался исследованием радиоактивности различных элементов. Образцы изготавливались в виде пустотелых цилиндров с вставленными в них источниками нейтронов. При облучении материала цилиндрика нейтронами образовывались радиоактивные ядра. Именно их радиоактивность и изучали исследователи. И вот 22 декабря 1934 года, производя опыты с серебряным цилиндриком, Б. Понтекорво обнаружил, что активность цилиндрика была разной в зависимости от того, где он стоял в момент облучения. Оказалось, что предметы, находящиеся вблизи цилиндрика, способны влиять на его активность: если цилиндрик облучали, когда он стоял на деревянном столе, его активность была выше, на металлической подставке она понижалась.

Вот что пишет по этому поводу Лаура Ферми в книге "Атомы у нас дома": "Теперь уже вся группа заинтересовалась этим и все приняли участие в опытах. Они поместили источник нейтронов вне цилиндра и между ним и цилиндриком ставили различные предметы.

Свинцовая пластина слегка увеличивала активность.

Свинец - вещество тяжелое. "Ну-ка давайте попробуем теперь легкое! предложил Ферми. - Скажем, парафин". Счетчик словно с цепи сорвался, так и защелкал.

Все здание загремело возгласами. Немыслимо! Невообразимо! Черная магия! Парафин увеличивал искусственную радиоактивность в сто раз...

"Давайте-ка попробуем установить, какое действие окажет на активность серебра большое количество воды", - заявил Энрико.

Лучшего места, где имелось бы "большое количество воды", чем фонтан с золотыми рыбками в саду... позади лаборатории, нельзя было и придумать. Они притащили свой источник нейтронов и серебряный цилиндрик к фонтану и опустили то и другое в воду. Результаты эксперимента привели их в неистовое возбуждение... Вода также во много раз увеличивала искусственную радиоактивность серебра".

Чем же было вызвано такое "неистовое возбуждение" Э. Ферми и его сотрудников? Что было необычного и, если хотите, на первый взгляд противоречивого в этих опытах?

Вот что поразило исследователей. Ведь радиоактивность серебряного цилиндрика определяется тем, сколько нейтронов, вылетающих из источника, попадет в ядра серебра, образуя при этом радиоактивные ядра. Но ведь количество вылетающих нейтронов не менялось и цилиндрик оставался прежним, а тем не менее радиоактивность возрастала. Значит, в силу каких-то причин сечение ядер серебра, то есть площадь их, то есть мишени, в которые попадали нейтроны, менялось в зависимости от соседствующих предметов. Еще более фантастичным оказался тот факт, что сечение ядер для налетаюших на них нейтронов было в несколько десятков раз больше геометрической площади сечения ядер серебра.

Это поставило ученых в тупик. Когда группа Э. Ферми в том же году сообщила о результатах своих исследований, многие физики посчитали эти опыты ошибочными.

Ведь получалось, что вокруг ядра есть какая-то зона, намного превышающая площадь ядра, попав в которую нейтрон тут же захватывался ядром. Но если даже признать, что такое явление возможно, нужно было объяснить, почему эта площадь зависит от предметов, находящихся вблизи цилиндра.

Первое объяснение этим фактам дал сам Э. Ферми.