Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра

Фредерик Жолио в 1935 году в речи после получения Нобелевской премии по химии

Ученым не удалось рассчитать критическую массу урана- 235, то есть минимальную массу материала, необходимого для осуществления поддерживаемой ядерной реакции, поэтому они использовали очень большое количество материала, по нескольку тонн, и это делало проект неосуществимым: получить такое количество материала было затруднительно. Добыча урана была крайне опасной, и шахтеры страдали от заболеваний, вызванных воздействием радиоактивности, в результате на этих работах добывающее предприятие начало использовать труд заключенных концлагеря.

ИЗОТОПЫ УРАНА

Уран, который встречается в природе, представляет собой смесь двух изотопов — урана-235 и урана-238. Второй изотоп довольно распространен и составляет 99, 2% природного урана, оставшиеся 0, 8% представлены ураном-235. Однако для цепной реакции необходим именно этот, более редкий изотоп. Когда уран-238 поглощает нейтрон, вместо расщепления происходят бета-распад и трансмутация в плутон-239. Уран-235 легко расщепляется нейтронами определенного вида энергии — кинетической. Когда источник состоит из смеси двух изотопов, с большим содержанием урана-238, этот изотоп поглощает большую часть нейтронов и делает цепную реакцию невозможной. Поэтому для осуществления поддерживаемой цепной реакции нужно использовать смесь с преобладанием урана-235, которую называют обогащенным ураном. Процесс обогащения урана состоит в очищении смеси и увеличении содержания в ней урана-235. Считается, что для создания атомной бомбы необходимо достичь 90% содержания этого изотопа. Разделить два изотопа непросто, и немецким ученым не удалось разработать достаточно удачный метод обогащения урана, что в конце концов означало провал проекта. Исследователи, участвовавшие в Манхэттенском проекте, напротив, смогли найти метод обогащения урана на заводе Оак-Ридж (Теннеси), благодаря чему создание первой атомной бомбы стало реальностью.

Зал контрольных панелей на заводе Оак-Ридж, фундаментальная часть Манхэттенского проекта.

Хотя Отто Ган не участвовал в разработке бомбы, он установил, что для цепной реакции необходимо использовать уран- 235, добыть который гораздо труднее, чем уран-238.

Еще одним техническим вопросом, который нужно решить для создания бомбы, был вопрос обеспечения веществом для замедления нейтронов. Как было открыто Ферми и Мейтнер, медленные нейтроны имеют при расщеплении большую эффективность. Когда воздействие нейтронов происходит на определенной скорости — при низкой кинетической энергии, — их поглощение ядром становится более вероятным, что увеличивает и вероятность расщепления (см. рисунок 2). Для торможения нейтронов использовали разные вещества, и было решено, что наилучшим вариантом является тяжелая вода. Она отличается от обычной воды тем, что водород в ее молекулах представлен изотопом дейтерием, имеющим в ядре не только протон, но и дополнительный нейтрон.

Уже в 1941 году Гейзенберг был готов разработать контейнер для урана и тяжелой воды, чтобы осуществить цепную реакцию. Вначале попытки были безуспешны, так как ученый недооценил важность расчета критической массы урана, необходимой для цепной реакции. После неоднократных повторов опыта в начале 1942 года он убедился, что цепная реакция началась. Она не была поддерживаемой, однако Гейзенбергу удалось обнаружить умножающийся эффект индуцированного расщепления. В работу вновь вкралась ошибка: использование пластин урана вместо сфер сделало работу реактора невозможной.

РИС. 2