Атомный проект. История сверхоружия

Курчатов поручил проведение одного из запланированных экспериментов Георгию Николаевичу Флёрову и Константину Антоновичу Петржаку, молодому исследователю из Радиевого института. Задача опыта состояла в наблюдении за тем, как меняется величина потока нейтронов из урановой сферы, если внутрь поместить источники нейтронов с различными спектрами энергий. Флёров и Петржак построили очень чувствительную ионизационную камеру для регистрации актов деления. Когда в начале 1940 года они приступили к опытам, то, к своему большому удивлению, обнаружили, что ионизационная камера продолжает срабатывать (то есть регистрировать деление ядра) и в том случае, когда они убрали источник нейтронов. Вскоре они пришли к заключению, что открыли спонтанное деление, происходящее без бомбардировки нейтронами. Теоретически такой процесс был предсказан Нильсом Бором и Яковом Френкелем, но теперь он получил экспериментальное подтверждение.

Игорь Курчатов предложил Флёрову и Петржаку провести ряд контрольных опытов, чтобы исключить возможность ошибки в эксперименте. Один из них был проведен под землей – в помещении станции московского метро «Динамо», чтобы показать, что деление вызывается не космическими лучами, а происходит само собой. В мае 1940 года Хлопин и Курчатов доложили об этом открытии в Академии наук, и вскоре в советских журналах появились соответствующие статьи. Курчатов, всегда придававший значение мнению иностранных физиков, послал короткое телеграфное сообщение об открытии в американский журнал «Физикал ревью», и оно было опубликовано в номере от 1 июля 1940 года. В Советском Союзе это открытие привлекло очень большое внимание. Его рассматривали как свидетельство того, что Курчатов и его сотрудники работают теперь на том же уровне, что и ученые ведущих исследовательских центров на Западе. Позднее Флёров вспоминал: «Тогда, до войны, в нас очень были сильны приоритетные страсти. Все дрались за первенство».

7 марта 1940 года Яков Зельдович и Юлий Харитон направили в «Журнал экспериментальной и теоретической физики» свою третью статью «Кинетика цепного распада урана», которая была опубликована в мае. Если в первых двух статьях они исследовали условия развития цепной реакции в системе «бесконечного размера», то теперь изучали цепную реакцию в ситуации, близкой к критической. Цепная реакция будет развиваться только в блоке критических размеров, писали они. При этом она могла бы дать огромное количество энергии и сделать возможным «некоторые применения урана». Но окончательный вывод об использовании деления ядер для получения энергии или для взрывов нельзя сделать, пока не будет понята кинетика цепной реакции. Особенно важно понять переход от «подкритического» состояния к «надкритическому», потому что этот переход может произойти очень быстро. Вычисления Зельдовича и Харитона показали, что как только система приближается к критическому состоянию, тепловое расширение урана (которое позволило бы нейтронам покинуть блок урана) и испускание запаздывающих нейтронов способны оказывать решающее влияние на переход в критическое состояние.

Такие свойства системы (прежде всего регулировка через тепловое расширение) делают экспериментальное исследование и энергетическое использование цепного распада урана безопасным. Взрывное использование цепного распада требует специальных приспособлений для весьма быстрого и глубокого перехода в сверхкритическую область и уменьшения естественной терморегулировки.

В статье также говорилось о физических процессах, которые должны оказаться определяющими при конструировании атомных реакторов. Из нее также видно, что Зельдович и Харитон размышляли о цепных реакциях на медленных и быстрых нейтронах и что они предполагали возможность использования внутриядерной энергии как для бомб, так и для получения энергии.