Атомная энергия для военных целей
Шрифт:
ИЗМЕРЕНИЯ ПРИ СБОРКЕ КОТЛА
Для того, чтобы быть уверенными, что при сборке котла случайно не будут превзойдены критические размеры, непрерывно производились измерения нейтронной активности. Эти измерения служили также для изучения свойств размножения нейтронов и давали возможность предсказать, где будет достигнута критическая точка.
Для измерения интенсивности реакции можно применять любой детектор нейтронов или -лучей. Нейтронные детекторы лучше, так как они быстрее реагируют и не подвержены влиянию излучений продуктов деления после прекращения экспериментов. Нейтронные детекторы (счетчик с трехфтористым бором) и ионизационные камеры для измерения -лучей были расположены внутри и вокруг котла. Некоторые из ионизационных камер применялись для приведения в действие регистрирующих приборов и автоматических аварийных
В самом котле измерения производились с помощью детекторов двух типов. Счетчик с трехфтористым бором вставлялся в щель на расстоянии в 43" от основания; с этим счетчиком производились частые отсчеты. Кроме того, фольга из индия каждый вечер облучалась в положении, по возможности самом близком к эффективному центру котла, а индуцированная активность фольги измерялась на следующее утро и сравнивалась с отсчетами счетчика с BF3.
Результаты подобных измерений могут быть выражены двояким образом. Так как число вторичных нейтронов, образовавшихся в процессе деления, постоянно возрастает по мере того, как котел строится, то активность А, индуцированная в стандартной фольге индия в центре, будет постоянно возрастать с увеличением числа слоев котла. Как только эффективное значение коэффициента размножения превысит единицу, А будет возрастать теоретически до бесконечности. Это приближение к бесконечности трудно наблюдать, и поэтому применяется другой способ выражения результатов. Предположим, что промежутки решетки и чистота материалов графито-урановой конструкции таковы, что коэффициент размножения сферы бесконечных размеров был бы в точности равен единице. Тогда, для реальной сферы подобной же конструкции, но конечного радиуса, активация детектора, помещенного в центре, была бы пропорциональна квадрату радиуса. Оказалось возможным определить соответствующий эффективный радиус Rэфф для реального котла в каждой из стадий его сборки. Отсюда вытекало, что если бы коэффициент k был точно равен единице в среднем для решетки в котле, то активность A детектора в центре возрастала бы с возрастанием Rэфф таким образом, что (Rэфф)2/A оставалось бы постоянным. Если бы k для решетки было больше единицы, то при приближении
Рис. 7. Число законченных слоев
размеров котла к критическому значению, т. е. при приближении значения kэфф к единице, А должно было бы стремиться к бесконечности и, следовательно (Rэфф)2/A — стремиться к нулю. Экстраполируя кривую зависимости (Rэфф)2/A от размера котла, т. е. от числа слоев до точки ее пересечения с осью абсцисс, можно предсказать, в каком слое kэфф станет равным единице. Такая кривая, изображенная на рис. 7, показывает, в каком слое достигаются критические размеры. Менее удобный, но более прямой способ записи результатов изображен на рис. 8, который показывает рост активности нейтронов котла с увеличением числа слоев.
При сборке котла, значительно ранее достижения критического слоя, в соответствующие щели были вставлены кадмиевые полосы.
Рис. 8. Число законченных слоев
Они вынимались по одному разу в день, с надлежащими предосторожностями, чтобы не пропустить момента приближения к критическим условиям. Так производилась постройка котла, пока не был уложен критический слой.
УПРАВЛЕНИЕ
Управление реакцией достигалось вдвиганием в котел нескольких полосок из материала, поглощающего нейтроны, кадмия или бористой стали. Пока котел бездействовал, несколько таких полосок кадмия вставлялись в ряд щелей, что уменьшало эффективный коэффициент размножения до величины намного ниже единицы. Для доведения котла до условий ниже критических достаточно было лишь одной из кадмиевых полос. Кроме этих полос, которые могли применяться для ручного управления котлом, были предусмотрены еще два аварийных стержня и
РАБОТА КОТЛА
Для пуска котла все кадмиевые полосы, кроме одной, удалялись. Оставшаяся полоса медленно выдвигалась наружу. По мере приближения к критическим условиям, интенсивность нейтронов внутри котла быстро возрастала. Следует, однако, заметить, что когда последняя полоса кадмия была внутри котла в положении, отвечающем эффективному значению коэффициента размножения, лишь немного меньшему единицы, требовалось много времени для того, чтобы интенсивность достигла насыщения. Аналогично, когда кадмиевая полоса была выдвинута наружу настолько, чтобы kэфф стало больше единицы, интенсивность возрастала довольно медленно. Так, если стержень был выдвинут на 1 см от критического положения, «время релаксации», т. е. время, необходимое для того, чтобы интенсивность удвоилась, составляло около четырех часов. Эти длинные «периоды релаксации» являются результатом наличия запаздывающих нейтронов (Приложение 3), что делает сравнительно легкой эксплоатацию котла при постоянном уровне интенсивности.
Котел впервые был пущен 2 декабря 1942 г., с максимальной мощностью в 1/2 W. 12 декабря интенсивность была доведена примерно до 200 W; повышать далее интенсивность считалось небезопасным для персонала внутри и снаружи здания. Во время работы при высокой интенсивности производились измерения излучения около котла, внутри здания и снаружи.
Приложение 5. Примерный перечень докладов
Ниже приведен перечень характерных докладов о работах, выполненных в Металлургической лаборатории Чикагского университета в 1942 г.
Таблица для вычисления процента потерь, обусловленных присутствием примесей в сплаве.
О радие-бериллиевом источнике нейтронов.
Предварительные оценки излучений от продуктов деления.
Фон естественных нейтронов в котле.
Поперечное сечение поглощения быстрых нейтронов радон-бериллиевого источника.
О механических напряжениях, вызванных температурными градиентами в стержнях и сферах.
Влияние геометрии на резонансное поглощение нейтронов ураном.
Защита от излучений.
Планирование опытов по жидкостному охлаждению.
Отчет о возможности очистки урана путем образования и разложения карбонила.
О радиоактивности гелиевого охлаждения.
Оценка устойчивости эфира при различных условиях облучения.
Отравление ураном.
Активности трансурановых элементов и продуктов деления.
Химическое действие радиоактивного излучения на воздух, окружающий котел.
Оценка химического действия радиоактивного излучения на охлаждающую воду в котле.
Очистка уранил-нитрата методом извлечения.
Диффузия продуктов деления из литого урана при 600 °C и 1000 °C.
Приложение 6. Сообщение Военного министерства об испытании атомной бомбы в Нью-Мексико 16 июля 1945 г
Успешный переход человечества к новому веку атомному веку совершился 16 июля 1945 г. на глазах у затаившей дыхание группы знаменитых ученых и военных представителей, собравшихся в пустынной местности Нью-Мексико, чтобы в первый раз увидеть воочию окончательные результаты их усилий, обошедшихся в 2 000 000 000 долларов. Здесь, на отдаленном участке авиабазы Аламогордо, в 120 милях к юго-востоку от Альбукерка, в 5 ч. 30 м. утра был вызван первый созданный человеком атомный взрыв выдающееся достижение физики ядра. Темные тучи, ливень и молния усиливали драматический эффект.
Установленное на стальной башне новое оружие, предназначенное для изменения характера войны или могущее даже стать средством прекращения всех войн, было приведено в действие движением руки, возвестившим вступление человека в мир новой физики. Успех превзошел самые дерзкие ожидания. Ученые заставили небольшое количество вещества, полученное в результате работы огромных, специально сконструированных промышленных установок, освободить энергию, запертую внутри атома с начала времен. Результат был баснословен. Теория, едва намечавшаяся в довоенных лабораториях, была претворена в практику.