Новости    Библиотека    Энциклопедия    Биографии    Ссылки    Карта сайта    О сайте


предыдущая главасодержаниеследующая глава

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: Т1/2 > 1019 лет.*

* (Современное значение границы: Т1/2сп·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 T1/2 > ~ 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.

предыдущая главасодержаниеследующая глава










© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2019
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник:
http://physiclib.ru/ 'Библиотека по физике'

Рейтинг@Mail.ru