10. Деление ядер урана

Поиски искусственно-радиоактивных трансурановых элементов, которые, как предполагалось, должны возникать при облучении урана нейтронами, были начаты группой Ферми еще в 1934 г. К исследованиям такого рода вскоре подключились многие ядерные лаборатории. Неожиданно большое количество разных активностей, получаемых в реакциях U+n и Th+n, привело к возникновению сложной, запутанной ситуации, объяснения которой долго не могли найти. В конце 1938 г. Ган и Штрассман отправили в печать свою знаменитую статью [159], а в начале 1939 г. были опубликованы не менее знаменитые письма Л. Мейтнер и О. Фриша [160, 161]. Загадкам нашли удивительное и в то же время простое объяснение: под действием медленных нейтронов уран делится на два примерно равных по массе осколка. Захватывающая история открытия деления урана подробно описана во многих работах (см., например, статью В. Герлаха (162]).

В 1939 г. одна за другой последовали важнейшие экспериментальные и теоретические работы, в которых выяснялись детали процесса деления, открывались новые факты. Прежде всего, была экспериментально доказана справедливость гипотезы о делении ядра урана и непосредственно измерена энергия деления. Было предсказано, а затем и показано, что под действием медленных нейтронов делится только редкий изотоп урана - ²³⁵U.

Теоретические представления о механизме деления тяжелых ядер, высказанные в виде качественных соображений в работе [160], были основаны на аналогии между процессами деления ядер под действием нейтронов и разрывом жидкой капли, деформированной внешним воздействием. Ядерные силы притяжения между нуклонами в ядре действуют подобно силам поверхностного натяжения и удерживают систему нуклонов от развала. Однако в наиболее тяжелых ядрах увеличение электростатических сил, отталкивающих протоны друг от друга, может привести систему к состоянию, близкому к потере устойчивости относительно разрыва на две части. Почти одновременно с заметкой [160] в печати появились и количественные оценки устойчивости тяжелого ядра, рассматриваемого в виде заряженной капли несжимаемой жидкости [163, 164]. Расчет устойчивости тяжелого ядра относительно деления был дан также в работе заведующего теоретическим отделом ЛФТИ Я. И. Френкеля, выполненной независимо от [163, 164] примерно в то же время [165, 166]. Наиболее полная и развитая теория деления тяжелых ядер, основанная на той же модели жидкой заряженной капли, была разработана Н. Бором и Дж. Уилером [167].

Уже в начале 1939 г. в нескольких независимо выполненных работах было установлено, что при делении урана испускаются вторичные нейтроны. Становилось ясно, что новое открытие в области деления урана может приобрести фундаментальное практическое значение. В работах впервые указывалось на то, что мечта об использовании "огромных запасов внутриядерной энергии", о которых часто говорили в прежние годы, из области фантазии может перейти в область конкретных, в принципе осуществимых процессов. В газетах замелькали слова "цепная ядерная реакция" и пояснения, что она будет возможна, если окажется, что на каждый акт деления урана выделяется несколько вторичных нейтронов.

После открытия деления урана Курчатов сразу наметил, какие исследования надо выполнить в первую очередь. Л. И. Русинов и Г. Н. Флеров занялись измерением среднего числа нейтронов (υ), испускаемых при каждом акте деления ядра урана. Полученный ими результат они сообщили на нейтронном семинаре ЛФТИ 10 апреля 1939 г., а также в докладе, сделанном на 4-м совещаний по физике атомного ядра в Харькове в ноябре 1939 г. [168]. Поскольку в расчет результатов опыта входили взятые из литературы значения сечений (например, нужно было знать сечение захвата тепловых нейтронов серебром), имевшие невысокую точность, Русинов и Флеров получили значение v с большой относительной погрешностью: v=3+1.

В работе [168] Русинов и Флеров поставили перед собой еще одну весьма актуальную задачу - доказать на опыте справедливость гипотезы Н. Бора о том, что под действием медленных нейтронов делится не ²³⁸U, a ²³⁵U [168а]. Им удалось первыми найти подтверждение этой гипотезы. Результат своей работы они доложили на ядерном семинаре ЛФТИ 16 июня 1939 г. [168, с. 312], а затем на 4-м совещании по физике атомного ядра в Харькове в ноябре 1939 г. К сожалению, материалы этого совещания вышли из печати только в июле 1940 г. За несколько месяцев до этого была опубликована работа А. Нира и др. [1686], в которой гипотеза Н. Бора доказана прямым опытом с разделенными изотопами урана.

Неудивительно, что определению величины v были посвящены работы физиков в разных странах, выполненные независимо друг от друга, почти одновременно, с помощью различных методов. Отчасти еще до получения достаточно надежного значения v были выполнены, опять-таки независимо во многих научных центрах, расчеты условий, при которых будет возможно осуществление цепной ядерной реакции деления урана [169].^* Один из первых таких расчетов содержался в работе Я. Б. Зельдовича и Ю. Б. Харитона [171] - сотрудников Ленинградского института химической физики, который в 1931 г. "отпочковался" от ЛФТИ, но сохранил с ним тесные научные связи. Авторы - ученики акад. Н. Н. Семенова были специалистами по теории химических цепных реакций. Их работа по праву считалась наиболее подробной и аргументированной из числа опубликованных в мировой печати. Об ее результатах в 1939 г. Ю. Б. Харитон делает обстоятельный доклад на 4-м совещании по физике атомного ядра [172]. На этом же совещании обзорный доклад о делении урана и тория представил А. И. Лейпунский [173]. Здесь также большое внимание было уделено анализу вопроса об осуществимости цепной ядерной реакции.

^* (В литературе не раз отмечалось, что впервые идея о цепной ядерной реакции на нейтронах возникла у Л. Сциларда в 1933 г. Он предположил, что если бы был найден случай, когда при бомбардировке нейтронами какого-либо элемента испускаются два нейтрона, то при достаточно большой массе этого вещества могла бы оказаться возможной цепная ядерная реакция [170, с. 529]. В 1934 г. Сцилард подготовил для подачи в Военно-морское министерство Великобритании патентную заявку, озаглавленную "Превращение химических элементов". В ней в общих чертах был описан ядерный реактор на нейтронах. В качестве возможных элементов-участников цепной реакции в заявке упоминаются уран и торий, употребляются такие термины, как коэффициент размножения нейтронов, замедлитель нейтронов; предложено окружить реактор отражателем нейтронов; введено понятие критической массы вещества в реакторе и дана ее оценка. Впервые эта заявка была опубликована только в 1972 г. в сборнике трудов Сциларда [170, с. 606 и особенно с. 612-616].)

В дальнейшем, на протяжении 1940 и 1941 гг., Я. Б. Зельдович и Ю. Б. Харитон неоднократно возвращались к различным аспектам расчета цепной реакции [174-177]. Совокупность их работ представляла собой подлинную энциклопедию по вопросам деления тяжелых ядер и теории цепной ядерной реакции. Несомненно, что глубокое понимание физики нейтронов, характерное для этих работ, в большой мере связано с участием авторов в оживленных дискуссиях, происходивших на заседаниях еженедельного нейтронного семинара ЛФТИ под руководством Курчатова.

На начальном этапе наиболее подробно была разработана теория цепной реакции деления ²³⁵U медленными нейтронами. Вопрос о возможности осуществления цепной реакции деления ядер ²³⁸U быстрыми нейтронами оставался открытым. Для его решения необходимо было, среди прочего, получить экспериментальные данные об энергетическом пороге деления, о ходе сечения деления с энергией нейтронов, о сечении неупругого рассеяния быстрых нейтронов на уране, поскольку этот процесс мог оказаться основной причиной, мешающей развитию цепной реакции деления вследствие перевода нейтронов в область энергий ниже порога деления.

Естественно, что Курчатов живо интересовался этими вопросами. Под руководством Г. Н. Флерова аспирантка Курчатова по Пединституту им. М. Н. Покровского Т. И. Никитинская в 1939 г. производит измерения сечений неупругого рассеяния быстрых нейтронов на нескольких элементах. Для этой работы в качестве счетчика быстрых нейтронов Курчатов предложил использовать "ионизационную камеру деления", позволяющую автоматически учитывать не все акты неупругого рассеяния нейтронов, а только те, в результате которых энергия рассеянного нейтрона остается превышающей порог деления урана-238. Была применена многослойная камера деления, разработанная К. А. Петржаком и Г. Н. Флеровым, с тонким слоем окиси урана на ее пластинах. Ламповый линейный (пропорциональный) усилитель для этой камеры с рекордным в то время коэффициентом усиления (К~10⁶) был изготовлен в Институте радиоприема и акустики (в Ленинграде) в порядке совместной разработки с физиками ЛФТИ.

В этом исследовании была получена оценка сечения неупругого рассеяния нейтронов на уране: σ=1.6б.^* На основании этого результата авторы сделали вывод, что цепная реакция на быстрых нейтронах на уране-238 невозможна. В той же работе Никитинской и Флерова [178] была, кроме того, сделана оценка порога деления ²³⁸U. Для этого авторы использовали камеру деления, пластины которой были покрыты азотнокислым торием. По известной величине порога для деления тория можно было оценить, что порог деления ²³⁸U составляет ~ 0.9 МэВ.^**

^* (В опубликованной аннотации этой работы [178] величина сечения вследствие опечатки указана неправильно.)

^** (Диссертация Никитинской на тему о неупругом рассеянии быстрых нейтронов была тщательно просмотрена Курчатовым и Флеровым. Ее защиту назначили на осень 1941 г. Защита диссертации происходила в Ленинграде в 1944 г. на заседании ученого совета ЛФТИ под председательством П. П. Кобеко.)

В дальнейшем Курчатов предложил Никитинской воспользоваться имевшейся у нее чувствительной аппаратурой и попытаться возможно более точно измерить величину v для урана. Никитинская приступила к этой работе в начале 1940 г. и закончила ее к концу года. Полученный результат (υ=2.3) совпадал с найденным ранее Зинном и Сцилардом [179]. Он мало отличается от принятого в настоящее время (υ=2.426±0.006) для ²³⁵U и тепловых нейтронов.

В 1939 г. Курчатов поручает своему аспиранту по физическому отделу РИАНа К. А. Петржаку присоединиться к Флерову с целью создания установки, пригодной для решения ряда задач, связанных с проблемой деления ²³⁸U быстрыми нейтронами. Были намечены измерения сечения неупругого рассеяния быстрых нейтронов на разных элементах и на уране, измерения суммарного сечения деления для естественной смеси изотопов урана фотонейтронами. Кроме того, Курчатов "предложил эксперимент, который без детального знания ряда констант и расчетов должен был прямо ответить на вопрос о возможности получения цепной реакции в большой массе металлического урана. Эксперимент состоял в наблюдении изменения потока нейтронов, вызывающих деление, в условиях, когда внутрь массивной сферы из металлического урана помещались нейтронные источники с различными энергетическими спектрами. Это был, по существу, "experimentum crucis", который должен был прямо ответить на поставленный вопрос" [180, с. 657].

Для намеченных исследований следовало разработать счетчик быстрых нейтронов высокой чувствительности. За исходный образец приняли камеру деления О. Фриша, чувствительность которой увеличена по сравнению с прототипом в 30-40 раз путем соответствующего увеличения площади электродов, покрытых окисью урана. Была разработана многослойная камера, в которой общая площадь 15 пластин, покрытых окисью урана, составляла 1000 см².

Как известно, камера деления может быть сделана полностью бесфоновой, так как при надлежащих параметрах усилителя (коэффициенте усиления и разрешающей способности) импульсы от α-частиц, испускаемых ураном и его дочерними продуктами, не будут регистрироваться даже в том случае, если происходит почти одновременное испускание нескольких α -частиц. Таким образом, камера будет регистрировать только акты деления урана.

Однако при наладке аппаратуры Петржак и Флеров обнаружили, что в отсутствие источника нейтронов камера регистрирует ~ 6 больших ("осколочных") импульсов в час. Эксперименты проводились сначала в РИАНе, на улице Рентгена, а затем - в ЛФТИ. Было выполнено множество разных контрольных опытов. Большие импульсы неизменно появлялись с той же средней частотой. Тогда Курчатов, Петржак и Флеров решили объявить научному миру о предполагаемом открытии нового явления - спонтанного деления ядер урана. Первые сообщения об этом сделали Курчатов на собрании Отделения физико-математических наук АН СССР в конце мая 1940 г. [181] и в то же время В. Г. Хлопин на собрании Отделения химических наук [181]. В июне того же года Петржак и Флеров отправили небольшую заметку [182]. Вопрос о том, к какому из изотопов урана относятся наблюдаемые акты спонтанного деления, остался открытым. В более подробной статье, отправленной в печать в июле 1940 г. [183], было высказано предположение, что спонтанно делится, вероятнее всего, ²³⁵U. Впоследствии оказалось, что наблюдалось деление ²³⁸U, причем период деления несколько меньше, чем по первоначальной оценке, приведенной в работе [183] (0.8·10¹⁶ лет вместо (4±1)·10¹⁶ лет).

Хотя Курчатов был руководителем этой работы, намечал "все основные контрольные эксперименты и принимал самое непосредственное участие в обсуждении результатов исследований" [183], он категорически отказался поставить свою фамилию в числе соавторов. По свидетельству Петржака [184], он опасался, что впоследствии непосредственные исполнители будут забыты и останется только одно его имя.

В дальнейшем с помощью многослойной камеры деления с увеличенной площадью рабочего слоя (ThО₂ - 5000 см², 15 пластин) Г. Н. Флеров и И. С. Панасюк попытались найти спонтанное деление тория [185]. Они получили оценку только нижней границы для величины периода спонтанного деления: Т_¹/2 > 10¹⁹ лет.^*

^* (Современное значение границы: Т_1/2^сп·дел·(²³²Th) > 10²¹лет)

Здесь представляется уместным вкратце рассмотреть ранний этап истории теоретических подходов к описанию явления спонтанного деления тяжелых ядер. Вопрос о том, при каком количестве протонов и нейтронов, образующих тяжелое ядро, может быть потеряна устойчивость системы и будет происходить спонтанное деление ядра, был впервые рассмотрен в уже упомянутой работе Я. И. Френкеля [166], посвященной электрокапиллярной теории деления ядер. Грубая оценка показала, что уже при числе протонов, равном 92, и массовом числе, равном 238 (ядро ²³⁸U), может происходить спонтанное деление такого ядра. Это противоречило имевшимся в то время данным. Автор отметил, что предложенная им формула для границы устойчивости ядра весьма чувствительна к выбору численных констант, которые пока известны с малой точностью. Поэтому на основании предложенного теоретического рассмотрения нельзя делать уверенного вывода о том, что ядро ²³⁸U должно спонтанно делиться.

В работе [166] не содержалось расчета времени жизни тяжелого ядра относительно деления, хотя и упоминалось о роли туннельного эффекта в оценке этого времени. Оценочная формула для такого времени жизни была дана в работе [167]. Однако предсказанное в соответствии с этой формулой время жизни для спонтанного деления урана, равное примерно 10²² лет, превышает найденное позже на опыте значение приблизительно в миллион раз.

Вскоре после выхода в свет работ [164, 165] была опубликована статья У. Либби, который пытался выяснить экспериментально, происходит ли спонтанное деление урана и тория [186]. В этой работе было использовано два метода: поиск радиоактивных осколков в необлученном уране или тории, а также поиск нейтронов, которые должны испускаться, если происходит спонтанное деление урана или тория. Чувствительность аппаратуры, примененной Либби, оказалась недостаточной, и результат получился отрицательным. На этом основании он оценил нижнюю границу периода ядер урана и тория относительно спонтанного деления T_1/2 > ~ 1014 лет.

Открытие спонтанного деления ядер имело большое значение для многих наук. Прежде всего, оно означало открытие фундаментального свойства атомных ядер - их способности к неизвестному ранее типу радиоактивного распада. В области тяжелых ядер (Z > 100) спонтанное деление оказалось основным процессом, определяющим их устойчивость. Поэтому вопросы об их периоде деления и о границе периодической системы элементов тесно связаны [180]. Возможность и степень сложности синтеза далеких трансурановых элементов непосредственно определяются величиной периода спонтанного деления соответствующих ядер. Способность тяжелых ядер к спонтанному делению приводит к существенным следствиям в астрофизике, а также в геофизике [180].

В конце февраля 1940 г. Курчатов выступил с докладом на собрании Отделения физико-математических наук АН СССР [187]. В ноябре того же года на 5-м совещании по физике атомного ядра в Москве он сделал доклад [188], в котором проанализировал основные работы по делению ядер, опубликованные за год, прошедший после 4-го совещания. Отметим, что как раз в этот период полностью прекратилась публикация в иностранных журналах работ По делению тяжелых ядер. Группа Жолио-Кюри перестала печатать свои работы после начала войны с Германией в сентябре 1939 г. Летом 1940 г. американские физики решили впредь воздержаться от публикаций, чтобы не давать никакой научной информации в указанной области исследователям в фашистской Германии. Поэтому в том разделе своего доклада, который касался вопроса об осуществимости цепной ядерной реакции деления урана, Курчатов опирался в основном на расчеты Зельдовича и Харитона и некоторые другие советские работы. Он ясно указал, что вопрос об осуществимости цепной реакции деления принципиально решен положительно: видны два пути - либо использование обычного урана в смеси с тяжелой водой в качестве замедлителя нейтронов, либо использование урана, обогащенного изотопом ²³⁵U, в смеси с обычной водой или, возможно, другими легкими веществами (например, углеродом), если окажется, что они обладают достаточно малым сечением захвата нейтронов. Разумеется, "на пути практической реализации в исследованных сейчас системах возникают громаднейшие трудности" [188, с. 586]. Ведь речь шла о получении в промышленном масштабе тяжелой воды или обогащенного урана, в котором содержание изотопа ²³⁶U увеличено, например, вдвое (1.4% вместо 0.7%).

Из сказанного видно, что в последнем предвоенном докладе Курчатова не упоминается лишь одна очень важная для сооружения ядерного реактора идея, которая возникла позже, если не принимать во внимание иностранные работы, в то время не публиковавшиеся. Речь идет о предложении использовать "решетку" из урана и замедлителя вместо их однородной смеси, т. е. отдельные куски (блоки) урана окружить замедлителем. Это позволяет существенно уменьшить роль резонансного захвата нейтронов ²³⁸U и благодаря этому создать ядерный реактор на естественном уране. В Советском Союзе, как указывает Ю. В. Сивинцев [189, с. 36], идею гетерогенного реактора в 1943 г. высказал видный теоретик И. Я. Померанчук на одном из Курчатовских семинаров в Москве. Он и И. И. Гуревич в 1943 г. разработали общую теорию такой системы [1, с. 63, 64].

Первым ученым в нашей стране, уделившим большое внимание научно-организационным вопросам, связанным с изучением деления ядер урана и с возможным громадным народнохозяйственным значением результатов таких исследований, был академик В. И. Вернадский. Он считал, что прежде всего в кратчайший срок необходимо выяснить, есть ли в Советском Союзе достаточные запасы урановой руды. Очень важным он считал также вопрос о выделении ²³⁵U из природного урана.

25 июня 1940 г. по инициативе Вернадского Отделение геолого-географических наук АИ СССР выделило "тройку", председателем которой стал Вернадский. Ей поручалось разработать проект мероприятий, которые необходимо осуществить в связи с возможностью использования внутриатомной энергии.

12 июля 1940 г. "тройка" обратилась в Совнарком со специальной запиской, в которой содержался ряд предложений по урановой проблеме. Тем же числом датирована записка Вернадского и Хлопина в Президиум АН СССР, в которой они подробно изложили план необходимых организационных мероприятий на 1941-1942 г. [190, с. 330-356].

30 июля 1940 г. на заседании Президиума АН СССР было принято постановление о создании Комиссии по проблеме урана при Президиуме АН СССР (сокращенно ее называли Урановой комиссией). Председателем ее стал В. Г. Хлопин, заместителями его - В. И. Вернадский и А. Ф. Иоффе; среди ее членов были И. В. Курчатов, П. Л. Капциа, Ю. Б. Харитон [190, с. 336].

Энергичного, привыкшего к напряженной работе Курчатова, по-видимому, не удовлетворяли темпы развертывания работ по урановой проблеме. Знакомился ли он подробно с программой первоочередных работ, намеченной в упомянутой докладной записке Вернадского и Хлопина? Сейчас об этом судить трудно. Если и знакомился, то, вероятно, он и его коллеги считали необходимым еще раз подчеркнуть перед руководством Академии наук СССР неотложность комплекса работ и дополнить программу в некоторых пунктах. 29 августа 1940 г. в Президиум АН СССР на имя ее непременного секретаря П. А. Светлова было отправлено письмо, подписанное И. В. Курчатовым, 10. Б. Харитоном, Л. И. Русиновым и Г. Н. Флеровым: "Об использовании энергии урана в цепной реакции" [191, с. 199]. Приведем заголовки пунктов предложенной ими в этом письме "программы работ на ближайшее время": 1. Определение условий разветвления цепи в массе металлического урана. 2. Выяснение влияния нейтронов, возникших при расщеплении урана с атомным весом 238, на ход цепной реакции в смеси урана и воды. 3. Выяснение величины эффективных поперечных сечений для захвата медленных нейтронов тяжелым водородом, гелием, углеродом, кислородом и другими легкими элементами. 4. Выяснение условий осуществления цепной реакции в смеси уран-тяжелая вода. 5. Выяснение вопроса о получении тяжелой воды в больших количествах. 6. Обогащение урана изотопом с атомным весом 235.

Легко заметить, что в плане, разработанном группой Курчатова, имеется в виду конкретная цель предлагаемых разделов исследований - создать теоретические и экспериментальные предпосылки для сооружения ядерного реактора.

Игорь Васильевич проявляет настойчивость и не упускает случая лишний раз попытаться ускорить события. По его инициативе во время 5-го совещания по физике атомного ядра в Москве (ноябрь 1940 г.) была составлена еще одна записка правительству, в которой подчеркивалась важность проблемы деления урана и необходимость организации широких исследований в этой области [376, с. 39]. Решения совещания были обсуждены и утверждены Урановой комиссией 30 ноября 1940 г, [190, с. 338].

Начавшаяся Великая Отечественная война привела к полному прекращению всех ядерных работ в нашей стране.