Атомная энергия для военных целей
Шрифт:
Глава IV. Развёртывание работ по декабрь 1941 г.
НЕОТЛОЖНЫЕ ВОПРОСЫ
4.1. В главе II были изложены общие проблемы, связанные с получением цепной реакции и применением ее для военных нужд. В начале лета 1940 года наибольшую важность приобрели следующие вопросы:
(1) Возможно ли найти такие условия, при которых происходила бы цепная реакция?(2) Можно ли добиться выделения изотопа U-235 в промышленном масштабе?(3) Можно ли получить замедлитель и другие материалы достаточной чистоты и в нужном количестве?
Эти три вопроса, как видно из дальнейшего, предопределили ход работ за последующие восемнадцать месяцев, хотя и было много других второстепенных задач.
ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ
4.2. В июне 1940 г. почти вся работа по вопросам цепной реакции была сосредоточена
4.3. Пеграм, в записке Бригсу от 14 августа 1940 года писал: «Не очень легко измерять эти величины с большой точностью, не применяя больших количеств веществ. Результаты этих опытов весною 1940 года свидетельствовали о том, что возможность цепной реакции с достоверностью не доказана, хотя еще меньше можно считать ее полностью опровергнутой. В целом полученный указания были более благоприятны, чем выводы, сделанные из предыдущих результатов.»
4.4. На собрании 15 июня (см. главу III) были обсуждены эти результаты и было рекомендовано, чтобы: (А) были проведены дальнейшие измерения ядерных постоянных и (В) были произведены опыты над решетками из урана и углерода, содержащими уран в количествах 1/3-1/4 вычисленных критических количеств.
4.5. Доклад Пеграма от 15 февраля 1941 г. показывает, что большая часть работ, выполненных к этому времени, относилась к пункту (А), тогда как работы по пункту (В) — так называемому промежуточному эксперименту — задерживались из-за недостатка материалов.
4.6. Перефразируя доклад Пеграма, можно представить главные результаты в следующем виде:
(а) Замедление нейтронов в графите было исследовано путем изучения интенсивности активации различных детекторов (родий, индий, йод), расположенных различным образом внутри прямоугольной графитовой колонны, имеющей размеры 338 футов, когда в нее помещался источник нейтронов. Подбирая соответствующие кадмиевые экраны, можно было исследовать действия резонансных и тепловых нейтронов в отдельности. [2]
2
Присутствие нейтронов можно обнаружить при помощи ионизационных камер или счетчиков или посредством искусственной радиоактивности, индуцированной в тонких металлических листочках (см. Приложение 1). Чувствительность каждого из этих детекторов зависит от их природы и от скорости нейтронов (например, нейтроны с энергией около 1,5 вольта особенно эффективны в активации индия). Кроме того, некоторые вещества обладают весьма большими поперечными сечениями поглощения для нейтронов в определенных интервалах скоростей (например, кадмий — для тепловых нейтронов). Таким образом, измерения с различными детекторами и с разными поглотителями или без них дают некоторое указание как о количестве присутствующих нейтронов, так и о распределении их энергии. Однако, методы таких измерений довольно несовершенны.
Математический анализ экспериментальных данных, основанный на теории диффузии, позволил предсказать результаты, ожидаемые в других расположениях. Эти результаты в сочетании с теоретическим изучением диффузии тепловых нейтронов послужили основой для расчета числа тепловых и резонансных нейтронов, обнаруживаемых в какой-нибудь точке в массе графита заданной формы, если источник нейтронов помещается в определенном положении внутри графита или вблизи него.
(b) Число нейтронов, испускаемых при делении. Опыты по замедлению нейтронов показали, что практически почти все нейтроны, обладающие большой энергией (быстрые), как, например, нейтроны, получающиеся при делении, снижают свою энергию до тепловой, проходя через слой графита толщиною в 40 см или более. Уран, помещенный в область образования тепловых нейтронов, поглощает их и — поскольку происходит деление — сам испускает быстрые нейтроны, легко отличимые от тепловых нейтронов. Производя ряд измерений, в присутствии урана и без него, с помощью разного рода детекторов и поглотителей можно получить значение константы — числа нейтронов, испускаемых на один тепловой нейтрон, поглощенный ураном. Эта величина не есть число испускаемых нейтронов, приходящихся на деление, она несколько меньше этого числа, так как не каждое поглощение вызывает деление урана.
(c) Теория решетки. Производились обширные вычисления ожидаемого числа нейтронов, вылетающих за пределы решеток различных конструкций и размеров. Эти вычисления служили основой для так называемого промежуточного эксперимента, упомянутого выше в пункте (В).
4.7. Интерес, проявленный отдельными учеными институтов в Принстоне, Чикаго и Калифорнии к проблеме цепной реакции, привел к постановке ряда исследований в этих институтах. С тех пор работа этих групп согласовывалась с работой в Колумбии, образуя части единой большой программы.
(Термин «резонансное поглощение» применяется для описания весьма сильного поглощения нейтронов ураном-238, когда энергии нейтронов занимают определенные интервалы в пределах от 0 до 1000 электрон-вольт. Резонансное поглощение доказывает существование ядерных энергетических уровней при соответствующих значениях энергий. В некоторых случаях этот термин применяется ко всей энергетической области в окрестности таких уровней.)
4.8. В главе II утверждалось, что решетчатая конструкция с правильным распределением блоков урана в замедлителе представляет известные преимущества. Именно над этой системой и работала колумбийская группа. Как это часто бывает, основная идея весьма проста. Если уран и замедлитель представляют однородную смесь, то нейтроны, теряя в среднем энергию небольшими порциями между прохождениями сквозь уран в процессе уменьшения скоростей до тепловых, будут иметь большую вероятность столкновений с атомами урана с заданной скоростью, например, со скоростью, соответствующей резонансному поглощению. Однако, если уран расположен в замедлителе блоками, с большими промежутками между ними, то энергия, теряемая нейтронами при переходе от одного блока урана к другому через замедлитель, будет велика, и вероятность того, что нейтроны достигнут блока урана с энергией, как раз равной энергии резонансного поглощения, будет относительно мала. Таким образом, вероятность поглощения нейтронов ураном-238 с образованием урана-239, в сравнении с вероятностью поглощения тепловых нейтронов, приводящего к делению, может быть достаточно уменьшена, для того, чтобы цепная реакция могла развиться. Если бы были известны точные значения поперечных сечений каждого изотопа урана для каждого типа поглощения и для любых интервалов скоростей нейтронов, и если бы имелись аналогичные сведения относительно замедлителя, то можно было бы рассчитать «оптимальную решетку», т. е. наиболее благоприятные размеры и форму блоков урана и расстояния в замедлителе. Так как подобные данные были известны лишь частично, необходим был непосредственный экспериментальный подход к проблеме. Поэтому было предложено измерять поглощение нейтронов ураном в условиях, подобных тем, которых можно ожидать в действующем котле с графитом в качестве замедлителя.
4.9. Эксперименты такого рода были начаты в Колумбии и продолжены в Принстоне в феврале 1941 г. Опыты состояли в изучении поглощения нейтронов в интервале энергий от нескольких тысяч электрон-вольт до долей электрон-вольта (тепловые энергии), причем поглощение имело место в различных слоях сфер из урана или окиси урана, уложенных в графите.
4.10. В этих экспериментах нейтроны получались при бомбардировке бериллиевой мишени протонами, ускоренными в циклотроне (выход нейтронов был эквивалентен радие-бериллиевому источнику с интенсивностью около 3500 кюри). Нейтроны, полученные таким образом, обладали широким непрерывным распределением скоростей. От этого источника они проходили в большой графитовый блок. Помещая различные сферы из урана или окиси урана внутри графита в различных положениях на все возрастающих расстояниях от источника, можно было изучать поглощение нейтронов, средние скорости которых уменьшались до тепловых. Было найдено, что общее поглощение нейтронов такими сферами могло быть выражено через «поверхностный» эффект и «объемный» эффект.
4.11. Эксперименты, требующие применения сфер разных размеров, различных плотностей и в различных расположениях, продолжались до весны 1942 года. когда большинство членов группы было переведено в Чикаго. Аналогичные эксперименты, проделанные позднее в университете Индианы А.Ч.Г. Митчелом и его сотрудниками, подтвердили и в некоторых случаях исправили данные, полученные в Принстоне, но летом 1941 года принстонские данные были достаточно точны для использования в планировании опытов с полузаводскими котлами, а впоследствии с промышленными котлами.
4.12. Опыты по резонансному поглощению в Принстоне были выполнены Р.Р. Вильсоном, Э.К. Кройтцем и их сотрудниками, под общим руководством Г.Д. Смита; им постоянно помогали Вигнер и Уилер, и они часто совещались с колумбийской группой.
4.13. Приблизительно в июле 1941 г. в Колумбии впервые был произведен в большом масштабе опыт с решеткой из урановых блоков в графите. Был сложен графитовый куб с ребром в 8 футов, содержавший около 7 тонн окиси урана в железных коробках, расположенных в графите с равными промежутками. Предварительная серия измерений на этой конструкции была выполнена в августе 1941 г. Аналогичные конструкции несколько более значительных размеров были установлены и исследованы в течение сентября и октября, и впервые был разработан и применен так называемый экспоненциальный метод определения коэффициента размножения (описанный ниже). Эта работа была выполнена Ферми и его помощниками Г.Л. Андерсоном, Б. Фельдом, Дж. Вейлем и В.Г. Цинном.