Вместо тысячи солнц. История ядерной бомбы, рассказанная её создателями

Большинство из вас знает, я полагаю, что физической основой цепной реакции служит деление урана. Это явление было открыто незадолго до начала войны Отто Ганом и Штрассманом, работавшими в Берлине, и заключается в том, что при падении нейтрона на ядро урана оно испытывает весьма «насильственный» вид распада. Ядро расщепляется на два осколка, разлетающиеся с очень большими скоростями, и при этом выделяется относительно огромное количество энергии.

Но цепная реакция осуществляется вовсе не благодаря большому количеству выделяющейся энергии, а благодаря тому, что наряду с испусканием продуктов деления происходит испускание нескольких нейтронов. Если предположить, например, что при каждом акте деления испускается 2 нейтрона и что все образующиеся в системе нейтроны вызывают новые акты деления, то получатся условия, ведущие к цепной реакции взрывного характера. Действительно, если в систему описанного типа ввести 1 первичный нейтрон, то он произведет деление, и появятся 2 нейтрона. Каждый из них, в свою очередь, произведет 2 нейтрона и т. д.

Итак, число нейтронов будет удваиваться за каждый шаг, или «поколение». Поэтому их число будет быстро увеличиваться, так что реакция становится крайне интенсивной и выделяется огромное количество тепла. Такое внезапное высвобождение энергии приводит к атомному взрыву. О системе, подобной описанной, говорят, что ее коэффициент размножения равен 2, так как в каждом поколении 1 нейтрон вызывает появление 2 новых нейтронов.

При конструировании бомбы цель заключается в достижении условий, при которых энергия высвобождается как можно быстрее. Для этого требуется, чтобы время жизни поколения было как можно меньше, а число нейтронов в каждом поколении должно возрастать как можно больше. Для уменьшения времени жизни поколения надо использовать быстрые нейтроны. Для максимально возможного увеличения коэффициента размножения надо расположить вещества таким образом, чтобы к новым актам деления приводила максимальная доля нейтронов, т. е. чтобы получить наибольшее возможное число новых нейтронов.

Если же мы хотим получить управляемую цепную реакцию, то коэффициент размножения должен быть очень близок к 1; кроме того, отпадает необходимость в малых длительностях поколения. Действительно, сравнительно большие времена жизни поколения окажутся, пожалуй, более подходящими, так как при этом облегчится управление реакцией. Итак, для управляемой цепной реакции можно использовать медленные нейтроны.

Между бомбой и управляемой цепной реакцией имеется и более существенное различие. Быстрая реакция, используемая в бомбе, происходит на «драгоценном» делящемся веществе типа U, который выделяется из урана в Ок-Ридже, штат Теннесси, или плутония – нового элемента, производимого в Хэнфорде, штат Вашингтон.

Управляемая цепная реакция, напротив, может быть получена на естественном уране. Это вещество было использовано для получения первой цепной реакции по той простой причине, что «драгоценных» делящихся веществ тогда не было и в помине. Это вещество используется также во всех построенных до сих пор промышленных котлах. Естественный уран представляет собой, по существу, смесь U²³⁵²³⁸, составляющего около 99,3 %, и U²³⁵, составляющего около 0,7 %. Именно это ничтожное количество U²³⁵ делает цепную реакцию возможной, так как бомбардировка U²³⁵ медленными нейтронами не приводит к делению.

Цепную реакцию легко получить, если использовать чистый U²³⁵, так как при этом отсутствует паразитное поглощение, связанное с U²³⁸. При использовании естественного урана задача существенно усложняется, так как в этом случае положительный избыток нейтронов в каждом поколении настолько мал, что для получения коэффициента размножения, большего единицы, необходимо свести до минимума все неизбежные потери.

Итак, с этой точки зрения присутствие U²³⁸ очень нежелательно. Но, с другой стороны, U²³⁸ играет очень существенную роль в производстве плутония. Действительно, при реакции происходит преобразование U²³⁸ в плутоний. Механизм этого преобразования описывается следующими ядерными процессами:

U²³⁸ + n → U²³⁹,

U²³⁹ → Np²³⁹ + е^-,

Np²³⁹ → Pu²³⁹ + e^-.

Первая из этих реакций описывает поглощение нейтрона ядром U²³⁹, превращающегося при этом в изотоп U²³⁹. Как указывается второй реакцией, U²³⁹ является нестабильным изотопом урана, распадающимся с испусканием электрона и превращающимся в изотоп нового элемента, нептуния, с зарядом 93 и массой 239.

Превращение урана в нептуний занимает около получаса. Образовавшийся Np²³⁹, как видно из третьей реакции, также нестабилен и распадается с испусканием электрона, превращаясь за несколько дней в конечный продукт реакции, Рu²³⁹. Если рассмотреть суммарный баланс цепной реакции этого типа, то станет ясно, что U²³⁵ будет постепенно расходоваться на поддержание реакции, а U²³⁸ будет медленно превращаться в Рu²³⁹.