Важный этап в истории ядерной энергетики

“Витебский курьер” приглашает совершить краткий экскурс в историю исследования тайны ядерных реакций.

Я Бор

1939 год. Нильс Бор на знаменитой конференции по теоретической физике. Фото kommersant.ru

Календарь знаменательных дат выделил 26 января 1939 года краткой строкой: “На знаменитой конференции по теоретической физике в Вашингтоне Нильс Бор объявил об открытии деления урана“. Реакция физиков  на то сообщение была мгновенной. И мало понятной для стороннего наблюдателя. Многие из ученых тут же досрочно покинули мероприятие, чтобы немедленно экспериментально проверить сообщение великого физика в своих лабораториях.

Ядерный эксперимент на кухонном столе

Давайте и мы, уважаемый читатель, проведем маленький эксперимент, который позволит понять суть капельной модели, которая сыграла заметную роль при исследовании проблемы деления ядер и на основе которой Нильс Бор предсказал спонтанное деление ядер урана. В 1940 году под руководством И.В. Курчатова процесс самопроизвольного деления ядер урана был открыт и в СССР.

Советские физики Г.Н. Флеров и К.А. Петржак определили, что при спонтанном делении 1 кг урана – 235 выделяется энергия, эквивалентная сгоранию более 2 млн. тонн антрацита.

Следуя логике великих физиков, откроем форзац учебника по химии для  средней школы и попытаемся с помощью лезвия безопасной бритвы разделить каплю воды на две равные части на фоне периодической системы Д. И. Менделеева.

DSCF3105

После серии попыток мы убедимся: капля воды предпочитает соотношение, отличное от “ровно пополам”.

DSCF3106

DSCF3108

Примерно так ведет себя и ядро урана, упорно не желающее делиться на два химических элемента под № 46  в таблице Менделеева. В физике роль инструмента, разделяющего ядро атома урана, выполняет вторичный нейтрон.

Оптимизм Нильса Бора, предположившего эту идею, и эксперимент Энрико Ферми, доказавшего, что под действием нейтронов делится не более распространенный в природной смеси изотоп урана -238, а менее распространенный уран – 235, на долю которого приходится лишь 0, 72 % вскоре, однако, натолкнулся на препятствие на пути практического использования выводов теоретической физики.

Обходные пути создания  ядерного реактора 

Теоретические расчеты реальной цепной реакции были произведены в 1940 году в СССР. И сделали это Юлий Харитон и Яков Зельдович, предложившие обогащение смеси урана изотопом урана-235 и использования в качестве замедлителя нейтронов обычной воды. Изотоп урана-238 является “ядом” для цепной реакции, так как его ядра поглощают нейтроны без деления и тем самым останавливают цепную реакцию.

Интересно в этой связи заметить, что в 1939 году Жолио-Кюри  с группой сотрудников подали пять заявок на патенты, описывающие принципы конструирования и использования ядерных реакторов. Запечатанные конверты они передали парижской Академии наук с условием, что с его содержимым ознакомятся  только через 10 лет. В 1949 году конверт был вскрыт. В нем находились материалы о ядерном реакторе  на тяжелой воде.

Оставалось решить главную и поначалу  казавшейся неразрешимую проблему – разделить массу природного урана на нужные изотопы. Но выделить нужный сорт изотопа невозможно в процессе химических реакций. Правда, это можно сделать, если воспользоваться различием их физических свойств. Разница атомных масс изотопов проявляется в неодинаковой летучести соединений.

Единственное летучее соединение урана – гексафторид с температурой кипения 55 градусов Цельсия. Первые газодиффузионные заводы были построены в США. Они имели в длину несколько километров. В 1945 году на Окридском газодиффузинном заводе были получены первые образцы металлического урана.

Сегодня, умные задним числом, мы знаем, что критическая  масса 90 % урана-235, при которой возможна цепная реакция составляет 50 кг. Для сравнения: плутония для создания атомной бомбы необходимо всего 10 кг.

А как же работал первый ядерный реактор  в США по проекту великого Ферми? Этот вопрос  вправе задать даже юный ядерщик. Никакого противоречия тут нет. Реактор Ферми, построенный в 1942 году работал на основе природной смеси урана. В нем уран 238 захватывал быстрые нейтроны и в результате бетта-распада превращался в синтетическое ядерное горючее плутоний-239.

Именно по пути создания плутониевой бомбы пошел И.В. Курчатов. По его рекомендации в рамках “Атомного проекта”  были созданы лаборатории для получения металлического плутония. О физических и химических свойствах которого было известно лишь то, что можно было предположить исходя из  места плутония в таблице Менделеева (№ 94).

8 декабря 1944 года, когда еще шла война, ГКО принял Постановление № 7102 с грифом сс/оп “Совершенно секретно. Особая папка “О мероприятиях по обеспечению развития добычи и переработки урановых руд”. В системе НКВД был создан научно-исследовательский институт по урану – “Институт специальных металлов НКВД”. Этой “конторе” пришлось заниматься не только ураном, но и плутонием.

В январе 1946 года была создана специальная комиссия по плутонию. А через четыре месяца после получения первых 10 грамм плутония-239 уже был проведен успешный экспериментальный ядерный взрыв. Что касается урана, то и тут СССР , как принято говорить, не лаптем  щи хлебал. США повели даже кампанию по обвинению СССР и России в демпинге!

Но это уже совсем иная история.