Я стану смертью, разрушителем миров. Как в США создали первый ядерный реактор

Мирным атомом мы обязаны совершенно не мирным целям. Первые ядерные реакторы были экспериментальными. И создавались они отнюдь не для того, чтобы получать «почти неисчерпаемый» источник энергии для промышленности или включения лампочек в домах. И американский, и советский экспериментальные ядерные реакторы должны были доказать возможность создания высокоэффективного взрывчатого вещества, аналогов которому планета Земля еще не знала. О первом ядерном реакторе, который и положил начало атомной бомбе, мы сегодня рассказываем.

Краткая предыстория

В 1935 году британскому физику Джеймсу Чедвику вручали Нобелевскую премию. Он заработал ее за открытие нейтрона тремя годами ранее. Ученый сумел правильно интерпретировать опыты своих коллег и определить массу нейтронов. На протяжении последующих лет ученые (Ирен Жолио-Кюри, Энрико Ферми) все плотнее подбирались к открытию деления ядра, облучая нейтронами различные атомы.

Этим же в нацистской Германии занимались Отто Ган и Фриц Штрассман. В декабре 1938 года они провели эксперимент, в результате которого пришли к выводу, что ядро урана при бомбардировке нейтронами распадается на более легкие элементы, а не образует более тяжелые. При этом суммарная масса продуктов деления оказывается меньше массы изначального ядра и нейтрона, а недостающая масса превращается в энергию. Правда, к этой мысли Гана подтолкнула коллега Лиза Мейтнер, ранее бежавшая из Германии физик еврейского происхождения. Публиковаться с немецким ученым ей было нельзя, поэтому сперва Отто опубликовал данные по химическому эксперименту, а потом им дала физическое обоснование Мейтнер.

Мейтнер и Ган во время совместной работы в 1913 году

Тут стоит отметить, что Ган был противником фашизма, протестовал против увольнения еврейских коллег из университетов. В конце Второй мировой войны союзники захватили десять немецких ученых, которые предположительно могли иметь отношение к ядерному проекту. Их на полгода закрыли в особняке недалеко от Кембриджа, где активно прослушивали. В числе ученых был и Отто.

Как и многие другие, он был шокирован известием об атомной бомбардировке японских городов. Историк Лоренс Бадаш писал, что новость надломила Гана. Он чувствовал личную ответственность за то, что его открытие унесло жизни тысяч людей. Опасаясь, что Отто может покончить жизнь самоубийством, его коллега постоянно находился рядом с ним. Из переговоров союзники выяснили, что Ганн отношения к ядерной программе нацистской Германии не имел, а сама она находилась на очень раннем этапе.

Особняк Фарм-Холл, где в условиях непрерывной прослушки находились немецкие физики

Возвращаясь на несколько лет назад, надо отметить, что открытие навело шороху в научном сообществе того времени и вызвало целую лавину публикаций и исследований, посвященных делению ядер.

Высказался и Альберт Эйнштейн. Ситуация в мире в 1939 году была напряженной, в воздухе витало предчувствие войны. Поэтому то, что деление ядер было открыто именно в Германии и было доступно немецкому правительству, не обнадеживало. В письме американскому президенту Рузвельту ученый писал:

— Некоторые недавние работы Ферми и Силарда, которые были сообщены мне в рукописи, заставляют меня ожидать, что уран может быть в ближайшем будущем превращен в новый важный источник энергии. Некоторые аспекты возникшей ситуации, по-видимому, требуют бдительности и при необходимости быстрых действий со стороны правительства…

...Стала вероятной возможность ядерной реакции в крупной массе урана, вследствие чего может быть освобождена значительная энергия и получены большие количества радиоактивных элементов… Это новое явление способно привести также к созданию бомб, возможно, хотя и менее достоверно, исключительно мощных бомб нового типа. Одна бомба этого типа, доставленная на корабле и взорванная в порту, полностью разрушит весь порт с прилегающей территорией.

Эйнштейн и Силард составляют письмо

В письме Эйнштейн просил оказать содействие американским ученым, которые работают с делением урана, так как аналогичные работы велись и в немецких институтах. И хоть Альберт был убежденным пацифистом, он решился подписать это письмо, так как опасался, что первыми успеха в создании атомной бомбы достигнут фашисты. Одним из инициаторов послания, а также автором большей его части был сам упомянутый Лео Силард, который посредством авторитетного голоса Эйнштейна хотел донести предупреждение до американских властей. Таким образом известный пацифист был косвенно втянут как в создание первого ядерного реактора, так и в создание первой атомной бомбы. Кто-то считает это письмо главным толчком к активизации исследования деления ядер, другие полагают, что и без Эйнштейна, но с тревожными данными английской разведки американцы ввязались бы в разработку нового вида оружия.

Лаборатория «Металлургическая»

— Та страна, которая первой сумеет практически овладеть достижениями ядерной физики, приобретает абсолютное превосходство над другими, — писали в 1939 году командованию Вермахта двое ученых из Гамбургского университета Пауль Гартек и Вильгельм Грот.

К осени 1942 года в США уже было преодолено большинство технологических барьеров, исследования оказались одобрены правительством, ученые получили в свое распоряжение достаточное количество графита, урана и его окиси. Проект по созданию атомной бомбы передали под начало военных, и он получил название Манхэттенского.

В рамках этого проекта была создана лаборатория с кодовым названием «Металлургическая», куда вошла экспериментальная группа Энрико Ферми — итальянского физика, бежавшего в США в 1939 году. Жена Энрико происходила из известной еврейской семьи, а к началу Второй мировой в стране был принят ряд законов, существенно дискриминирующих евреев. Выехав вместе с семьей на вручение Нобелевской премии, в Италию Ферми уже не вернулся. В США он начал работать над цепной реакцией деления ядер в уран-графитовой системе, что и привело его в лабораторию «Металлургическая».

Энрико Ферми

Перед лабораторией стояла задача создать ядерный реактор, который бы доказал возможность самоподдерживаемой цепной ядерной реакции. Конечным продуктом такой реакции в результате поглощения ураном-238 избыточных нейтронов должен был стать плутоний-239 — исключительно полезный для военных изотоп, который в природе не встречается, но крайне охотно поддерживает цепную реакцию деления ядер. Кроме него в атомных бомбах используют уран-235. Он хоть и в малых количествах, но присутствует в природном уране. Природный уран же состоит из смеси трех изотопов, из которых самым распространенным является уран-238 (распространенность 99,27%). Он относительно стабилен и не способен к самостоятельной цепной реакции. Тогда как редкий уран-235 (распространенность 0,72%) способен поддерживать цепную ядерную реакцию.

Естественно, ученые не сразу приступили к строительству ядерного реактора. С 1941 года Ферми работал над подкритическими (коэффициент размножения нейтронов был меньше единицы, атомы не «горели», а «затухали») сборками меньших размеров, прежде чем приступить к строительству своего большого реактора. Стоит отметить, что и реактором-то его не называли. Долгое время в обороте был термин «атомный котел», в котором и «варили» уран. Хотя по форме это были отнюдь не котлы, а скорее квадратные поленницы.

Всего было собрано минимум 29 «поленниц». Самая первая была сложена из графитовых блоков (замедлителей нейтронов) размерами 10×10×30 см и кубов из окиси урана размерами 20×20×20 см и весом по 27 кг каждая. Для установки столь тяжелых кубов ученые привлекли местную футбольную команду, ребята из которой нуждались в подработке. В нижней части «поленницы» был установлен радион-бериллиевый источник нейтронов. Однако выхлоп от такой установки был разочаровывающим — коэффициент размножения нейтронов был равен 0,87, а цепная реакция быстро затухала.

Как собирали «Чикагскую поленницу»

— Мы знали, что мир уже не будет прежним. Кто-то смеялся, кто-то плакал. Большинство молчало. Я вспомнил строчку из индусского писания «Бхагавадгита»: «Теперь я стал смертью, разрушителем миров». Полагаю, мы все думали об этом. Так или иначе, — так Роберт Оппенгеймер, отец американской атомной бомбы, вспоминал первое испытание ядерного оружия в 1945 году.

Первый экспериментальный ядерный реактор в мире начали возводить не в удаленной пустыне и не на необитаемом острове. Его стали собирать в Чикаго, в подтрибунном помещении стадиона местного университета, так как отдельную локацию просто не успевали построить, а материалы к Ферми поступили бы раньше окончания строительства.

Естественно, жители не могли не заметить такого оживления в районе: вереница грузовиков, оцепление и многочисленная охрана. Работы велись в условиях строжайшей секретности, а по городу ходили слухи, что там работают над излечением рака.

Тот самый стадион и та самая трибуна

Снимки сделаны в разное время

Была ли угроза для горожан? Физики решили, что реакцию в любом случае удастся успешно остановить, даже если она выйдет из под контроля.

Для того чтобы собрать котел, ученым потребовалось около 5,4 тонны металлического урана, 45 тонн окиси урана и 360 тонн графитовых брусков. Собственно, поэтому реактор и назвали «Чикагской поленницей» — уж слишком он был похож на обычную, хоть и чересчур аккуратную и большую гору дров.

Котел собирали в форме эллипсоида, предварительно оградив с трех сторон кубообразным воздушным шаром высотой 7,6 метра.

Первый слой состоял только из графитовых брусков. Далее все чередовалось таким образом, чтобы слои без урана сменялись двумя слоями с ураном. Работы велись 24 часа в сутки в две смены, за каждую из них «поленница» прибавляла по два слоя.

Прямо на месте с помощью токарных станков в брусках проделывали дыры для стержней управления и урана, а потому вскоре все помещение было заполнено черной пылью. Из-за этого работники и ученые стали больше походить на шахтеров. В качестве рабочей силы, кстати, набрали 30 парней, которых до этого по разным причинам выгнали из старших классов.

Иллюстрация: Джон Кадель, Argonne National Laboratory

Более чистое топливо размещали как можно ближе к центру, просверливая дыры в графитовых «поленьях» и помещая в них урановые бруски. К тому же через всю кладку сверху вниз шло несколько каналов, в которых находились длинные бронзовые стержни, покрытые кадмием. Этот материал, хорошо поглощающий нейтроны, служил естественным тормозом реакции.

Укладка каждого слоя «поленьев» происходила лишь после замера активности нейтронов, чтобы можно было установить, когда же масса топлива станет критической, то есть когда количество производимых нейтронов будет равно количеству теряемых.

Остановились ученые на 57-м слое. «Поленница» не была бы «поленницей», если бы ее не обложили деревянными брусками, поддерживающими форму. К финальному моменту сборки реактора он вырос до 6,1 метра и был равен 7,6 метра в ширину.

Экспериментальная группа Ферми в очередную годовщину запуска реактора, 1946 год. Фото: University of Chicago Photographic Archive, Special Collections Research Center, University of Chicago Library

Первый запуск

Физик Лео Силард, который присутствовал при эксперименте и принимал в нем активное участие, пожал руку Ферми и сказал, что спустя много лет этот день будут характеризовать «как черный день в истории человечества».

2 декабря 1942 года все было готово к первому испытанию. Посмотреть на экспериментальный запуск реактора собрались 49 ученых, которые расположились на балкончике возле реактора. Оттуда Ферми мог контролировать регулирующие кадмиевые стержни. Единственный человек, оставшийся возле реактора, должен был вытащить последний стержень. Если бы реакция вышла из-под контроля, ему бы вручную пришлось заталкивать стержень обратно. На балконе его страховал человек с топором, которым следовало перерубить веревку, удерживающую аварийный стержень. Последним рубежом обороны, согласно архивному сайту Департамента энергетики США, была бригада экстренного тушения с раствором кадмиевой соли, которым надо было залить «поленницу» в случае неудачи.

Иллюстрация: Gary Sheehan/Public Domain

До обеда группа ученых по одному извлекала стержни из «поленницы», записывая и контролируя показатели активности. Однако процесс был прерван спустя несколько часов, когда один из стержней перешел в аварийный режим: его уровень срабатывания был очень низким. Присутствующие слегка перепугались, однако Ферми спокойно попросил вставить все стержни обратно и предложил сделать перерыв на ланч.

После обеда Энрико в сопровождении коллег и помощников спустился к «Чикагской поленнице». Новая попытка запуска «котла» стартовала в 14:00. Спустя почти полтора часа итальянский физик объявил, что реакция стала самоподдерживаемой. Он провел последние подсчеты на логарифмической линейке, и к 15:25 присутствующие окончательно убедились, что дело сделано: человек впервые обуздал силу атома, по балкону пробежала тихая рябь аплодисментов.

В следующие 28 минут нейтронный поток прошел заданный уровень безопасности, и Ферми попросил задействовать электромагнитную подвеску аварийной системы: стержни встали на свои места, счетчик нейтронов резко замедлился, а ученые открыли бутылку кьянти и разлили ее по бумажным стаканчикам.

— Итальянский мореплаватель высадился в Новом Свете.

— Как вели себя туземцы?

— Все высадились в безопасности и счастливы.

Таким диалогом передали наверх сообщение об успехе эксперимента.

Первый ядерный реактор в СССР создали для получения оружейного плутония в связи с растущей угрозой прямого военного столкновения с Западом. Ф-1 как опытную площадку для отработки технологий запустили в декабре 1946-го. Спустя полтора года на Урале заработал первый оружейный реактор А-1. Гонка ядерных вооружений началась.