Что такое чикагская поленница 1

История науки: поленница для мирного атома

Рисунок реактора во время первого эксперимента (художественная реконструкция по воспоминаниям очевидцев)

Gary Sheehan (Atomic Energy Commission)

Как во благо науки был использован пустующий стадион, из чего сложили «Чикагскую поленницу» и как это привело к бомбардировке Японии, в ежедневной рубрике «История науки» рассказывает Indicator.Ru.

1939 год. Итальянский физик Энрико Ферми прибывает со своей семьей в США. На тот момент это уже состоявшийся ученый: у него за спиной преподавание в нескольких университетах, стажировки у известных физиков, собственные исследования в области ядерной физики, за которые он получил Нобелевскую премию. Италия конца 1930-х годов была не лучшим местом для проживания евреев (в том числе жены Ферми), и он воспользовался вручением премии как шансом эмигрировать и вывезти из Италии свою семью.

Department of Energy. Office of Public Affairs/Wikimedia Commons

В Америке Ферми получил предложения от нескольких университетов и выбрал Колумбийский, где и продолжил свою работу. В конце 1938 года из Старого света пришла новость о том, что два немецких ученых, Отто Ган и Фриц Штрассман, открыли реакцию деления атомного ядра. Американские ученые заинтересовались этими экспериментами и особенно той энергией, которая выделяется в ходе реакции. Уже в январе 1939 года группа ученых, в числе которых был и Ферми, провела первую такую реакцию в США.

Деление ядра атома проводили путем облучения тяжелых элементов нейтронами. Ученые знали, что цепная реакция возможна, если при делении выделяется больше нейтронов, чем поглощается. Такая реакция протекает с выделением большого количества энергии. Вот поиском способа провести самоподдерживающуюся цепную реакцию и занялись Ферми и его коллеги. Через пару лет они смогли перейти от теоретической проработки к экспериментам.

Источник

Чикагская поленница-1

Содержание

Конструкция

В качестве топлива использовался природный (необогащённый) уран в виде прессованных оксидов (около 33 т UO₂ и около 3,7 т U₃O₈) и металлических слитков (общей массой около 5.6 т). [3] Замедлителем был выбран графит исходя из того, что это был единственный материал необходимой чистоты, доступный в больших количествах (в реакторе было использовано около 350 т).

Управление реакцией осуществлялось с помощью механического перемещения поглощающих нейтроны стержней из кадмия и бористой стали. Их было три типа:

Реактор не имел системы охлаждения и биологической защиты, поэтому мог работать лишь кратковременно и на очень маленькой мощности.

Предыстория

Для создания ядерной бомбы требовалось получить достаточные количества ядерного делящегося материала. Перспективными направлениями были признаны получение урана-235 путём обогащения природного урана и наработка плутония-239 путём облучения природного урана-238 нейтронами. Оба пути были связаны с серьёзными трудностями и имели свои преимущества и недостатки, поэтому работа по ним развивалась параллельно.

В состав лаборатории вошли многие известные физики и химики. Экспериментальная группа под руководством Ферми главным образом занималась самой цепной ядерной реакцией, химический отдел — химией плутония и методами разделения, теоретическая группа под руководством Вигнера — разработкой промышленных реакторов, хотя из-за тесной взаимосвязи научно-технических вопросов задачи могли перераспределяться между группами.

Расчёт оптимальных параметров будущего реактора требовал как точного определения прикладных величин вроде коэффициента размножения нейтронов, так и измерений характеристик конкретных образцов материалов предназначенных для постройки реактора. Для этих целей было создано несколько десятков подкритических сборок с дополнительными источниками нейтронов. Поскольку металлический уран достаточной чистоты был получен только в ноябре 1942 г., эксперименты проводились с прессованным оксидом урана.

К июлю эксперименты на подкритических сборках продвинулись достаточно, чтобы начать разработку реактора с критической массой.

Исходные оценки критического размера активной зоны были завышены, поэтому в конструкции реактора была предусмотрена оболочка, из которой можно было бы откачать воздух для уменьшения поглощения нейтронов. Она была изготовлена на заводе Goodyear по производству оболочек аэростатов (из-за секретности проекта её истинное назначение было скрыто, что вызвало там массу шуток о «квадратном воздушном шаре»).

К ноябрю оболочка с одной открытой стороной была подвешена над площадкой, и сборка реактора началась путём послойной укладки графитовых блоков и брикетов оксида урана (дефицитный металлический уран использовался лишь в центральной части реактора). Каждый слой укреплялся деревянными брусьями. Форма и размер слоёв менялись с высотой, придавая всей конструкции приблизительно сферическую форму. Две группы «строителей» (одна под руководством Уолтера Зинна (Walter H. Zinn), другая — Герберта Андерсона (Herbert L. Anderson)) работали почти круглосуточно. В. Уилсон (Volney C. Wilson) руководил работой с контрольно-измерительной аппаратурой.

Большинство «строительных материалов» изготавливалось непосредственно на месте, в соседних помещениях. Порошкообразный оксид урана прессовался в брикеты на гидравлическом прессе. Графитовые блоки выпиливались с помощью обычных деревообрабатывающих станков. По воспоминаниям самих участников, из-за большого количества образующейся чёрной пыли они весьма походили на шахтёров после смены.

После укладки каждого слоя поглощающие стержни осторожно извлекались, и проводились измерения нейтронных параметров. К примерно 50-му слою из 75 запланированных стало ясно, что критичность может быть достигнута даже при несколько меньших размерах активной зоны, чем предполагалось в начальных расчётах. Соответственно, количество и размеры последующих слоёв были уменьшены.

Эксперимент

2 декабря 1942 г. состоялся первый опыт по достижению надкритического состояния с развитием самоподдерживающейся цепной ядерной реакции.

В 9:35 стержень аварийной защиты был извлечён, и начались осторожные измерения зависимости нейтронного потока от положений регулирующих стержней, пока ещё в подкритическом состоянии. Ближе к полудню сработала система аварийной защиты, оказавшаяся установленной на слишком низкий уровень.

После перерыва на обед эксперимент был продолжен. Запись интенсивности нейтронного потока с автоматического регистратора с подписями о положении стержней показана на рисунке. (Резкие скачки графика вызваны переключением диапазонов чувствительности.) В начале видно характерное экспоненциальное приближение к равновесному уровню интенсивности для каждого положения поглощающего стержня в подкритическом состоянии реактора. Чем больше извлечён стержень, тем ближе реактор к критическому состоянию, и, соответственно, выше равновесная интенсивность. В конце, с 15:36, отчётливо виден экспоненциальный рост интенсивности, соответствующий нарастающей цепной реакции в надкритическом реакторе. С 15:53 виден резкий спад интенсивности — реактор был заглушен автоматической системой.

Пиковая мощность в этом эксперименте составила лишь около половины ватта, однако сама возможность управляемой самоподдерживающейся реакции была убедительно продемонстрирована.

12 декабря реактор проработал 35 мин на мощности около 200 Вт. При этом радиационный фон составлял 3 Р/ч непосредственно вблизи реактора и около 360 мР/ч в дальних углах зала.

Дальнейшая судьба

В феврале 1943 г. реактор был разобран, и его части перевезены в будущую Аргоннскую лабораторию, где они были использованы для сборки реактора CP-2.

Небольшие части графита из первого реактора выставлены в чикагском Музее науки и промышленности и музее науки Брэдбери [en] Лос-Аламосской национальной лаборатории.

Научная статья о реакторе [3] была опубликована в American Journal of Physics лишь спустя 10 лет, в 1952 г., после снятия секретности. В 1955 г. Ферми и Силарду был выдан патент США № 2708656 на «нейтронный реактор» (заявка была подана ещё в 1944 г.).

Источник

Мирным атомом мы обязаны совершенно не мирным целям. Первые ядерные реакторы были экспериментальными. И создавались они отнюдь не для того, чтобы получать «почти неисчерпаемый» источник энергии для промышленности или включения лампочек в домах. И американский, и советский экспериментальные ядерные реакторы должны были доказать возможность создания высокоэффективного взрывчатого вещества, аналогов которому планета Земля еще не знала. О первом ядерном реакторе, который и положил начало атомной бомбе, мы сегодня рассказываем.

Краткая предыстория

В 1935 году британскому физику Джеймсу Чедвику вручали Нобелевскую премию. Он заработал ее за открытие нейтрона тремя годами ранее. Ученый сумел правильно интерпретировать опыты своих коллег и определить массу нейтронов. На протяжении последующих лет ученые (Ирен Жолио-Кюри, Энрико Ферми) все плотнее подбирались к открытию деления ядра, облучая нейтронами различные атомы.

Этим же в нацистской Германии занимались Отто Ган и Фриц Штрассман. В декабре 1938 года они провели эксперимент, в результате которого пришли к выводу, что ядро урана при бомбардировке нейтронами распадается на более легкие элементы, а не образует более тяжелые. При этом суммарная масса продуктов деления оказывается меньше массы изначального ядра и нейтрона, а недостающая масса превращается в энергию. Правда, к этой мысли Гана подтолкнула коллега Лиза Мейтнер, ранее бежавшая из Германии физик еврейского происхождения. Публиковаться с немецким ученым ей было нельзя, поэтому сперва Отто опубликовал данные по химическому эксперименту, а потом им дала физическое обоснование Мейтнер.

Тут стоит отметить, что Ган был противником фашизма, протестовал против увольнения еврейских коллег из университетов. В конце Второй мировой войны союзники захватили десять немецких ученых, которые предположительно могли иметь отношение к ядерному проекту. Их на полгода закрыли в особняке недалеко от Кембриджа, где активно прослушивали. В числе ученых был и Отто.

Как и многие другие, он был шокирован известием об атомной бомбардировке японских городов. Историк Лоренс Бадаш писал, что новость надломила Гана. Он чувствовал личную ответственность за то, что его открытие унесло жизни тысяч людей. Опасаясь, что Отто может покончить жизнь самоубийством, его коллега постоянно находился рядом с ним. Из переговоров союзники выяснили, что Ганн отношения к ядерной программе нацистской Германии не имел, а сама она находилась на очень раннем этапе.

Возвращаясь на несколько лет назад, надо отметить, что открытие навело шороху в научном сообществе того времени и вызвало целую лавину публикаций и исследований, посвященных делению ядер.

Высказался и Альберт Эйнштейн. Ситуация в мире в 1939 году была напряженной, в воздухе витало предчувствие войны. Поэтому то, что деление ядер было открыто именно в Германии и было доступно немецкому правительству, не обнадеживало. В письме американскому президенту Рузвельту ученый писал:

— Некоторые недавние работы Ферми и Силарда, которые были сообщены мне в рукописи, заставляют меня ожидать, что уран может быть в ближайшем будущем превращен в новый важный источник энергии. Некоторые аспекты возникшей ситуации, по-видимому, требуют бдительности и при необходимости быстрых действий со стороны правительства…

Лаборатория «Металлургическая»

— Та страна, которая первой сумеет практически овладеть достижениями ядерной физики, приобретает абсолютное превосходство над другими, — писали в 1939 году командованию Вермахта двое ученых из Гамбургского университета Пауль Гартек и Вильгельм Грот.

К осени 1942 года в США уже было преодолено большинство технологических барьеров, исследования оказались одобрены правительством, ученые получили в свое распоряжение достаточное количество графита, урана и его окиси. Проект по созданию атомной бомбы передали под начало военных, и он получил название Манхэттенского.

В рамках этого проекта была создана лаборатория с кодовым названием «Металлургическая», куда вошла экспериментальная группа Энрико Ферми — итальянского физика, бежавшего в США в 1939 году. Жена Энрико происходила из известной еврейской семьи, а к началу Второй мировой в стране был принят ряд законов, существенно дискриминирующих евреев. Выехав вместе с семьей на вручение Нобелевской премии, в Италию Ферми уже не вернулся. В США он начал работать над цепной реакцией деления ядер в уран-графитовой системе, что и привело его в лабораторию «Металлургическая».

Естественно, ученые не сразу приступили к строительству ядерного реактора. С 1941 года Ферми работал над подкритическими (коэффициент размножения нейтронов был меньше единицы, атомы не «горели», а «затухали») сборками меньших размеров, прежде чем приступить к строительству своего большого реактора. Стоит отметить, что и реактором-то его не называли. Долгое время в обороте был термин «атомный котел», в котором и «варили» уран. Хотя по форме это были отнюдь не котлы, а скорее квадратные поленницы.

Всего было собрано минимум 29 «поленниц». Самая первая была сложена из графитовых блоков (замедлителей нейтронов) размерами 10×10×30 см и кубов из окиси урана размерами 20×20×20 см и весом по 27 кг каждая. Для установки столь тяжелых кубов ученые привлекли местную футбольную команду, ребята из которой нуждались в подработке. В нижней части «поленницы» был установлен радион-бериллиевый источник нейтронов. Однако выхлоп от такой установки был разочаровывающим — коэффициент размножения нейтронов был равен 0,87, а цепная реакция быстро затухала.

Как собирали «Чикагскую поленницу»

Естественно, жители не могли не заметить такого оживления в районе: вереница грузовиков, оцепление и многочисленная охрана. Работы велись в условиях строжайшей секретности, а по городу ходили слухи, что там работают над излечением рака.

Была ли угроза для горожан? Физики решили, что реакцию в любом случае удастся успешно остановить, даже если она выйдет из под контроля.

Для того чтобы собрать котел, ученым потребовалось около 5,4 тонны металлического урана, 45 тонн окиси урана и 360 тонн графитовых брусков. Собственно, поэтому реактор и назвали «Чикагской поленницей» — уж слишком он был похож на обычную, хоть и чересчур аккуратную и большую гору дров.

Котел собирали в форме эллипсоида, предварительно оградив с трех сторон кубообразным воздушным шаром высотой 7,6 метра.

Первый слой состоял только из графитовых брусков. Далее все чередовалось таким образом, чтобы слои без урана сменялись двумя слоями с ураном. Работы велись 24 часа в сутки в две смены, за каждую из них «поленница» прибавляла по два слоя.

Прямо на месте с помощью токарных станков в брусках проделывали дыры для стержней управления и урана, а потому вскоре все помещение было заполнено черной пылью. Из-за этого работники и ученые стали больше походить на шахтеров. В качестве рабочей силы, кстати, набрали 30 парней, которых до этого по разным причинам выгнали из старших классов.

Более чистое топливо размещали как можно ближе к центру, просверливая дыры в графитовых «поленьях» и помещая в них урановые бруски. К тому же через всю кладку сверху вниз шло несколько каналов, в которых находились длинные бронзовые стержни, покрытые кадмием. Этот материал, хорошо поглощающий нейтроны, служил естественным тормозом реакции.

Укладка каждого слоя «поленьев» происходила лишь после замера активности нейтронов, чтобы можно было установить, когда же масса топлива станет критической, то есть когда количество производимых нейтронов будет равно количеству теряемых.

Остановились ученые на 57-м слое. «Поленница» не была бы «поленницей», если бы ее не обложили деревянными брусками, поддерживающими форму. К финальному моменту сборки реактора он вырос до 6,1 метра и был равен 7,6 метра в ширину.

Первый запуск

Физик Лео Силард, который присутствовал при эксперименте и принимал в нем активное участие, пожал руку Ферми и сказал, что спустя много лет этот день будут характеризовать «как черный день в истории человечества».

2 декабря 1942 года все было готово к первому испытанию. Посмотреть на экспериментальный запуск реактора собрались 49 ученых, которые расположились на балкончике возле реактора. Оттуда Ферми мог контролировать регулирующие кадмиевые стержни. Единственный человек, оставшийся возле реактора, должен был вытащить последний стержень. Если бы реакция вышла из-под контроля, ему бы вручную пришлось заталкивать стержень обратно. На балконе его страховал человек с топором, которым следовало перерубить веревку, удерживающую аварийный стержень. Последним рубежом обороны, согласно архивному сайту Департамента энергетики США, была бригада экстренного тушения с раствором кадмиевой соли, которым надо было залить «поленницу» в случае неудачи.

До обеда группа ученых по одному извлекала стержни из «поленницы», записывая и контролируя показатели активности. Однако процесс был прерван спустя несколько часов, когда один из стержней перешел в аварийный режим: его уровень срабатывания был очень низким. Присутствующие слегка перепугались, однако Ферми спокойно попросил вставить все стержни обратно и предложил сделать перерыв на ланч.

После обеда Энрико в сопровождении коллег и помощников спустился к «Чикагской поленнице». Новая попытка запуска «котла» стартовала в 14:00. Спустя почти полтора часа итальянский физик объявил, что реакция стала самоподдерживаемой. Он провел последние подсчеты на логарифмической линейке, и к 15:25 присутствующие окончательно убедились, что дело сделано: человек впервые обуздал силу атома, по балкону пробежала тихая рябь аплодисментов.

В следующие 28 минут нейтронный поток прошел заданный уровень безопасности, и Ферми попросил задействовать электромагнитную подвеску аварийной системы: стержни встали на свои места, счетчик нейтронов резко замедлился, а ученые открыли бутылку кьянти и разлили ее по бумажным стаканчикам.

— Итальянский мореплаватель высадился в Новом Свете.

— Как вели себя туземцы?

— Все высадились в безопасности и счастливы.

Таким диалогом передали наверх сообщение об успехе эксперимента.

Читайте также:

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Быстрая связь с редакцией: читайте паблик-чат Onliner и пишите нам в Viber!

Источник

Жив или мёртв кот Шрёдингера?

Исследователь: Эрвин Шрёдингер.

Область исследований: квантовая физика.

Результат: две возможности сосуществуют.

Как кот может быть и живым и мертвым? В 1935 году этот риторический вопрос поставил австрийский физик Эрвин Шрёдингер. С 1920-х физики-теоретики и математики работали над нюансами квантовой механики. В Копенгагене Нильс Бор и Вернер Гейзенберг, основоположники квантовой теории, работали над так называемой копенгагенской интерпретацией квантовой механики. Шрёдингер считал, что есть проблема с применением этой теории к обычным предметам.

Одна из предложенных Бором и Гейзенбергом идей получила название «квантовой суперпозиции». Если частица (или фотон света) может находиться в любом из двух состояний или положений и нет никакого способа определить, в каком именно, то, согласно принципу суперпозиции, частица находится в обоих состояниях одновременно до тех пор, пока наблюдение не обнаружит ее в одном из этих состояний. Тогда бы она мгновенно «схлопнулась» в это состояние. Таким образом, только наблюдатель мог зафиксировать частицу в одном из ее возможных состояний. Шрёдингеру не нравилась идея суперпозиции, и поэтому он предложил парадокс в виде мысленного эксперимента.

Ни один кот не пострадал…

Радиоактивные атомы совершенно непредсказуемы. Атом в ящике может распасться через секунду или не сделать этого и через год. Поскольку никто не может заглянуть в коробку, спустя полчаса невозможно сказать, распался атом или нет. Согласно идее суперпозиции, он должен считаться как целым, так и распавшимся.

Значение наблюдателя

Но это означает, что кот должен быть и живым и мертвым одновременно — пока наблюдатель не откроет коробку, чтобы посмотреть на него. Шрёдингер утверждал, что это не имеет смысла; принцип суперпозиции в реальном мире смехотворен. Он писал:

«Это мешает нам наивно принять „модель размытия“ как отражающую действительность… Есть разница между нечетким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана».

Некоторые оппоненты возражали, что сам кот должен считаться наблюдателем: он точно будет знать, распался ли атом, ведь сам кот все еще жив.

Сам Нильс Бор не настаивал на присутствии наблюдателя. Для него кот был либо жив, либо мертв задолго до того, когда кто-нибудь откроет коробку. Он считал, что это счетчик Гейгера делает кота живым или мертвым. То есть это счетчик Гейгера был наблюдателем.

Есть ли в этом еще какой-либо смысл? Не для Альберта Эйнштейна. Он написал Шрёдингеру в 1950 году:

«Вы единственный современный физик… кто видит, что нельзя обойти представление о реальности, если только быть честным. Большинство физиков просто не видят, в какую рискованную игру они играют с реальностью — реальностью, как чем-то независимым от того, что было установлено экспериментально. Однако их интерпретация весьма элегантно опровергается вашей моделью из радиоактивного атома +… [механизма]… + кота в ящике… Никто на самом деле не сомневается в том, что наличие или отсутствие кота — это нечто не зависящее от акта наблюдения».

Множество миров

Более поздние модели квантовой механики привнесли другие идеи. В 1957 году Хью Эверетт создал «многомировую интерпретацию», которая предполагает, что когда существуют две возможности, обе остаются верными. Более того, все возможные истории и варианты будущего остаются верными. Существует большое количество вселенных, и все, что могло бы произойти, произошло в той или иной из них.

Согласно этой теории, в тот момент, когда ящик Шрёдингера открывается, и наблюдатель, и живой/мертвый кот «расщепляются». Тогда в одной вселенной у первого наблюдателя остается живой кот, а в другой второй наблюдатель увидит мертвого кота; но эти два наблюдателя никогда не смогут встретиться или связаться друг с другом.

Споры на этот счет не затихают до сих пор, а кот Шрёдингера стал мировой знаменитостью — самым популярным животным в квантовой механике.

Исследователи: Лео Силард и Энрико Ферми.

Результат. Ядерные реакции могут генерировать энергию.

В 1933 году венгерский физик Лео Силард, находясь в Англии, прочел в газете «Таймс» речь Эрнеста Резерфорда, к тому моменту уже патриарха атомной физики. В своей речи Резерфорд отверг возможность получения энергии из ядерных реакций: «…все, кто искал источник энергии в трансформации атомов, несут вздор».

Устрашающий образ

Гениальный итальянец

Энрико Ферми родился в Риме и сделал блестящую карьеру в физике, как в теоретической, так и в практической. В 1938 году он получил Нобелевскую премию по физике за осуществление ядерных реакций под действием медленных нейтронов и создание таким образом новых элементов. К сожалению, «новые элементы» оказались вовсе не новыми, а изотопами ранее известных, образующимися в реакциях. Ферми был несколько сконфужен, но сохранил уверенность в себе.

Критическая масса

В это время другие ученые обнаружили, что, распадаясь, атом урана производит два или три нейтрона. Выяснилось также, что распад атома урана способен вызвать даже один медленный нейтрон. Вот тут-то и появилась опасность настоящей цепной ядерной реакции. Соберите в одном месте критическую массу урана (около 15 килограммов чистого металла — кусок немногим больше бейсбольного мяча), и нейтроны, которые он произведет, вызовут дальнейшие распады — реакцию будет не остановить.

Ферми и Силард в Чикагском университете взялись за строительство первого в мире ядерного реактора. Они планировали построить реактор в Ред Гейт Вудс, на безопасном расстоянии, далеко за пределами города, но помешала забастовка рабочих. Поэтому они собрали «Чикагскую поленницу-1» (Chicago Pile-1, CP-1) под трибунами заброшенного стадиона, расположенного посреди обширной городской застройки.

Физика в школе: 7 вещей, которые нас ужасно бесят

Эксперимент был пугающе опасен. Силард, Ферми и другие рассчитали, как все должно начаться и закончиться, но если бы что-то пошло не так, весь город Чикаго был бы разрушен. Правда, к тому времени Америка уже была втянута в мировую войну, так что риск, возможно, казался оправданным.

Чикагская поленница-1

Реактор представлял собой «поленницу» из спрессованных в брикеты урановых гранул и графитовых блоков. Ферми обнаружил, что нейтроны, испускаемые при распаде атомов урана, слишком быстры, чтобы запустить цепную реакцию. Парафиновый воск и вода замедляют их почти до полной остановки, потому что нейтроны сталкиваются в них с многочисленными атомами водорода. Графит был более эффективным замедлителем, тормозя нейтроны достаточно, чтобы сделать их высокоэффективными при разрушении других атомов урана.

Также нужен был механизм, чтобы замедлить и остановить реакцию, если она начнется, поэтому у них был набор регулирующих стержней из кадмия и индия, которые можно было сбросить в специальные пазы конструкции. Кадмий и индий поглощают ней- 149 троны, поэтому они должны были замедлить и остановить ядерную реакцию.

Позже реактор был демонтирован и перенесен в Ред Гейт Вудс в будущую первую Аргоннскую национальную лабораторию, где из него собрали CP-2. Ферми был назначен руководителем Манхэттенского проекта в Лос-Аламосе и в 1945 году измерил энергию, произведенную первым испытанием атомной бомбы в пустыне Аламогордо.

Источник