Плутониевая зона

Вскоре ученые пришли к выводу, что при бомбардировке урана медленными нейтронами, имеющими скорость теплового движения молекул в газах, число высвобождающихся нейтронов на один акт деления равно примерно двум или трем. Итак, два осколка и два с половиной новых нейтрона.

А это означало, что вновь рожденные нейтроны могут вызвать новые деления. Процесс, начавшись от постороннего источника нейтронов, может превратиться в цепной и лавинообразный. Такой процесс был бы подобен адскому взрыву, поскольку выделяемая при этом энергия будет тысячекратно превышать по своей мощности и взрывной силе все известные взрывчатые химические вещества.

Однако в естественном уране никакого взрыва не происходит даже при инициации с помощью посторонних источников нейтронов. Какие-то факторы препятствуют развитию цепной реакции, уменьшая коэффициент размножения нейтронов с двух с половиной до спасительной величины, очевидно, не превосходящей единицы.

Прежде всего, причина заключется в разных ядерных свойствах тех изотопов, из которых состоит природный уран. 99 % принадлежит изотопу с атомным весом 238 и 0,7 % — изотопу с атомным весом 235.

По химическим свойствам эти изотопы идентичны, но их наличие значительно усложняет физическую картину уран-нейтронного взаимодействия. В феврале 1939 года датский ученый Нильс Бор пришел к заключению, что медленными нейтронами делится только уран-235, а не основной изотоп урана — с атомным весом 238.

Советские ученые Харитон и Зельдович в том же году пришли к выводу, что условия, требуемые для цепной реакции, «не могут осуществиться в уране-238, будь то окись урана или чистый металлический уран». Но выход есть: «Достаточно повысить в уране концентрацию изотопа 235, чтобы реакция оказалась возможной».

Однако задача разделения изотопов или обогащение урана более легким компонентом казалась в то время трудноразрешимой. Химическим путем это сделать невозможно. Рассортировать же атомы, используя очень незначительную разницу в их массах, казалось почти фантастикой. А между тем, получение чистого урана-235 сразу решало бы проблему.

Американский ученый Поллард писал в 1942 году: «Если кому-нибудь удалось бы выделить несколько фунтов урана-235. .. это почти наверное привело бы к очень интересным результатам. Во многих местах сейчас пытаются получить разделенные изотопы урана в больших количествах. Если читатель проснется когда-нибудь утром и прочитает в утренней газете, что половина Соединенных Штатов за ночь была сметена в море, то он убедится в том, что где-то удалось добиться успеха в решении этой задачи».

Невозможность получения цепной реакции в природном уране объясняется не только малым относительным содержанием делящегося изотопа — всего 0,7 %. Дело оказалось гораздо сложнее.

Наибольшую вероятность вызвать деление ядра урана-235 имеют медленные нейтроны с тепловыми скоростями. А в самом акте деления рождаются два с половиной быстрых нейтрона, имеющих скорости в сотни и тысячи раз выше.

Уран-238 тоже взаимодействует с нейтронами. Но его ядра не делятся, а, захватывая нейтрон, превращаются в конечном итоге в новый трансурановый элемент № 94, не существующий в природе. Впоследствии он получил название «плутоний».

Именно это радиационное поглощение нейтронов ураном-238, до того момента, когда они успеют замедлиться и вызвать деление ядра урана-235, является основным отрицательным фактором, мешающим осуществлению цепной реакции в природном уране.

В поисках путей, улучшающих условия протекания цепного процесса, Ферми и Сцилард высказали в 1940 году перспективное предложение: ускорять процесс замедления рождающихся быстрых нейтронов с помощью специальной добавки к урану легких химических элементов.

При столкновении с легкими атомами процесс замедления нейтронов будет протекать в десятки раз быстрее, чем это происходит при столкновении с тяжелыми ядрами урана. Добавки могут значительно увеличить вероятность замедления нейтрона, избегая паразитного захвата ураном-238. В качестве подобных замедлителей рассматривались бериллий и вода — обычная или «тяжелая».

Но фактически первая искусственная цепная реакция была достигнута с использованием в качестве замедлителя углерода (графита). Это была так называемая уран-графитовая сборка, запущенная в действие под руководством Ферми в Чикаго, в декабре 1942 года.

Другими факторами, уменьшающими вероятность достижения цепной реакции, являются: поглощение нейтронов различными естественными примесями, содержащимися в уране и графите, а также холостая утечка нейтронов через боковую поверхность сборки в окружающее пространство.