Я стану смертью, разрушителем миров. Как в США создали первый ядерный реактор
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.
Мейтнер и Ган во время совместной работы в 1913 году
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.
Особняк Фарм-Холл, где в условиях непрерывной прослушки находились немецкие физики
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…
. Стала вероятной возможность ядерной реакции в крупной массе урана, вследствие чего может быть освобождена значительная энергия и получены большие количества радиоактивных элементов… Это новое явление способно привести также к созданию бомб, возможно, хотя и менее достоверно, исключительно мощных бомб нового типа. Одна бомба этого типа, доставленная на корабле и взорванная в порту, полностью разрушит весь порт с прилегающей территорией.
Эйнштейн и Силард составляют письмо
В письме Эйнштейн просил оказать содействие американским ученым, которые работают с делением урана, так как аналогичные работы велись и в немецких институтах. И хоть Альберт был убежденным пацифистом, он решился подписать это письмо, так как опасался, что первыми успеха в создании атомной бомбы достигнут фашисты. Одним из инициаторов послания, а также автором большей его части был сам упомянутый Лео Силард, который посредством авторитетного голоса Эйнштейна хотел донести предупреждение до американских властей. Таким образом известный пацифист был косвенно втянут как в создание первого ядерного реактора, так и в создание первой атомной бомбы. Кто-то считает это письмо главным толчком к активизации исследования деления ядер, другие полагают, что и без Эйнштейна, но с тревожными данными английской разведки американцы ввязались бы в разработку нового вида оружия.
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».
Энрико Ферми
Перед лабораторией стояла задача создать ядерный реактор, который бы доказал возможность самоподдерживаемой цепной ядерной реакции. Конечным продуктом такой реакции в результате поглощения ураном-238 избыточных нейтронов должен был стать плутоний-239 — исключительно полезный для военных изотоп, который в природе не встречается, но крайне охотно поддерживает цепную реакцию деления ядер. Кроме него в атомных бомбах используют уран-235. Он хоть и в малых количествах, но присутствует в природном уране. Природный уран же состоит из смеси трех изотопов, из которых самым распространенным является уран-238 (распространенность 99,27%). Он относительно стабилен и не способен к самостоятельной цепной реакции. Тогда как редкий уран-235 (распространенность 0,72%) способен поддерживать цепную ядерную реакцию.
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.
В Африке обнаружили древний ядерный реактор — ему 2 миллиарда лет. Как это возможно?
Свой первый ядерный реактор люди соорудили совсем недавно — «Чикагская поленница — 1» была построена в 1942 году в Чикагском университете с участием Энрико Ферми (не путайте с Пьером Ферма, который придумал одну «простую» теорему). Целью было продемонстрировать возможность управлять самоподдерживающейся ядерной реакцией, так как мощность на выходе получалась мизерной. Тогда, вероятно, никто не мог предположить, что человек со своим примитивным атомным реактором на самом деле не был первым.
В 1972 году сотрудники французского завода по переработке урановой руды обнаружили странное: часть завезенного будущего топлива — примерно 200 кг — было «не таким, как должно»: содержание урана на сотые и тысячные доли отличалось от нормы. Этого было достаточно для того, чтобы вызвать удивление у французского физика Франсиса Перрена: содержание изотопа 235 U всегда 0,720% — хоть лунный грунт привези.
Руда же, поступившая из шахт Габона в Центральной Африке, а конкретно — из месторождения Окло, содержала 0,717% 235 U, говорилось в одной из публикаций Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ). Холодная война и опасения, что кто-то добрался до урана ради военных целей, позволили выдвинуть гипотезу: в руде содержится уже «поработавший» уран, кто-то уже запускал цепную реакцию. Тем более проведенный позже анализ руды показал «потерю» сотен килограммов урана — хватит на несколько крупных атомных бомб.
Само собой, было инициировано расследование, к французам присоединились коллеги из других стран, и вскоре они сделали интересное открытие.
Существуют укоренившиеся заблуждения, когда природу лишают права создавать что-то необычное для человека, выходящее за рамки известного. Говорят, например, что в природе не существует прямых углов и прямых линий: мол, все плавное и изогнутое. И как-то забывают о минерале пирит, кристаллы которого походят на фрагменты инопланетного материала. Кристаллы поваренной соли при большом увеличении также имеют четкие очертания — примеров уйма.
Чуть поодаль от пирита с солью (и множества других проявлений природы) оказалась Мостовая гигантов, многие годы будоражившая разум сторонников теорий заговора и пришествия инопланетян. А вулканическая активность издревле порождала совсем невероятные объекты: увиденное в скалах Чусангчолли в Китае или ущелье Гарни в Армении заставит задуматься о существовании во Вселенной кого-то еще. Хотя все это творит земная природа.
Фото: Hyur Service
Перрен и его коллеги, проведя исследование, пришли к выводу, что человеческая рука не касалась отработанной урановой руды — она полностью природного происхождения. Удивление вызывали разве что следы продуктов деления урана. Эти выводы позволили озвучить научно обоснованную гипотезу: в Окло работал естественный реактор, возникший в период 1,7—1,8 млрд лет назад (по другим данным — более 2 млрд лет назад).
Оригинальный образец руды из Окло, который сейчас находится в музее в Вене
После выезда на местность, где были проведены дополнительные изыскания и тесты, гипотеза подтвердилась. «Другого объяснения нет», — заявил Людовик Ферьер из Музея естественной истории в Вене в 2019 году (на снимке выше представлен осколок породы из одной из шахт в Окло). Хотя, конечно, нашлись и те, кто усмотрел в этом подтверждение своей теории существования в далеком прошлом технологической цивилизации — без оснований на то. Но когда они требовались?
Миллиарды лет назад руда, по словам ученых, содержала достаточно урана, в том числе 235 U, чтобы запустить реакцию деления. Что-то, в свою очередь, должно было регулировать процесс, успокаивая нейтроны, — в противном случае понятие «реактор» оказалось бы бессмысленным.
И вновь природа показала, что обошла человека во всех его технологиях: в качестве замедлителя она также использовала воду. Вероятно, это были подземные источники, в которые был погружен уран (точнее, порода, его содержащая).
Как отмечают эксперты в области ядерной энергетики, вода в данном случае должна быть избавлена от определенных химических элементов — лития, бора и некоторых других (максимум несколько частей на миллион), в противном случае реакция выйдет из-под контроля и/или остановится. Два миллиарда лет назад условия сложились подходящим образом. Способствовало поддержанию реакции и удержанию ее под контролем расположение урана и его объем (залежи должны быть определенных размеров).
Работал такой реактор без перерывов на обед и регулярного обслуживания куда дольше современных «аналогов». Геологи и физики предполагают срок выработки энергии древней АЭС в 150 тыс. лет. Вероятно, во время «запуска» в эпоху палеопротерозоя концентрация урана достигала 10%, из которых более 3% приходилось на 235 U — это та самая критическая масса, необходимая для запуска цепной реакции. Она же характерна и для современных реакторов.
Вода, омывавшая естественный реактор, поддерживала реакцию, потом от нагрева испарялась, реактор переходил в режим ожидания, а затем, по мере восполнения жидкости, вновь запускался. И так бесконечно, если рассматривать процесс с точки зрения продолжительности человеческой жизни.
Запасов урана, который возник в том числе благодаря химическим реакциям из-за особенностей атмосферы того времени, магматических пород и бактериологической активности (а также благодаря произошедшей до этого кислородной катастрофе — без кислорода ничего не получилось бы), было достаточно, чтобы поддерживать реакцию на протяжении десятков тысяч лет. Вся эта природная конструкция предотвращала разрушение реактора или взрыв.
Всего в бассейне Франсвиль в Габоне было обнаружено 17 естественных атомных реакторов (зон): крупнейший имел 12 метров в длину, 18 метров в глубину и от 20 до 50 сантиметров в ширину. И каждые 2,5 часа эта «АЭС» выдавала 100 киловатт тепловой энергии, то есть примерно шесть раз в сутки. Выяснить «расписание» работы природного реактора ученым позволили опасные изотопы ксенона (побочный продукт реакции): их следы указывали на циклы включения/выключения.
Как показывают подсчеты, всего за время функционирования системы было произведено столько энергии, сколько может выдать 40-гигаваттная станция за четыре года. Не так много, но точно хватило бы на питание электричеством какого-нибудь человеческого поселения в течение 150 тыс. лет. Правда, пришлось бы еще соорудить собственно электростанцию и инфраструктуру. А еще лампочки, холодильники и другое по мелочи.
1 — реакторы, 2 — песчаник, 3 — урановая руда, 4 — гранит
Считается, что реактор в Окло не был единственным — просто только его удалось обнаружить. Другие могли исчезнуть из-за геологических изменений, какие-то просто еще предстоит найти. Одним из «перспективных» регионов, где могли бы располагаться естественные реакторы, помимо Африки называют Бразилию.
Исследователи указывают на возможную связь между возникновением подобных реакторов и появлением жизни на Земле: они давали тепло и радиацию. Кроме того, на примере Окло можно научиться нейтрализации и консервации радиоактивных отходов от существующих АЭС, говорилось в публикации Университета Йорка в Англии. Дело в том, что природный реактор не нес угрозы окружающему миру, все опасные элементы были заключены в стабильные соединения. Так, побочные продукты оказались заключены рутением и фосфатами алюминия в породах вокруг — последний аспект вызвал наибольшее воодушевление в ученой среде.
Стоит отметить, что за 19 лет до открытия реактора в Окло химик Пол К. Курода из Университета Арканзаса предположил возможность возникновения естественных ядерных реакторов, обозначив необходимые условия (которые упоминались выше). Откуда он знал?
Читайте также:
- Военный с секретными кодами запуска ракет исчез на 35 лет — его подозревали в работе на СССР и саботаже запуска «Челленджера»
- Путешественник во времени предсказывал миллионы исчезнувших и появление сталкеров в 2022 году
Ровно 75 лет назад в Москве был запущен первый в Европе ядерный реактор Ф-1
Лидирующие позиции у России и в области атомной энергетики. И все это благодаря событию, которое произошло ровно 75 лет назад: в Москве запустили первый в Европе ядерный реактор — легендарный Ф-1. Его создавали для военных целей, но в результате помогли развитию мирного атома. Сейчас в Арктике работают уже шесть атомных ледоколов, еще несколько — строят. 11 российских АЭС дают пятую часть всей производимой у нас электрической энергии.
Эти часы ученые группы Курчатова или, как ее называли, «лаборатории № 2» остановили ровно в 18 часов 25 декабря 1946 года. Тогда здесь на пульте управления под радостные крики, вовсю звучал этот звук. Это счетчик уровня радиации в реакторе. Так страна взяла под контроль необузданную силу атома.
Нужно было спешить. Американская ядерная бомбардировка Японии не оставила сомнений, США обязательно используют атомную мощь как инструмент давления или как оружие в противостоянии с СССР. Наши ученые этого не допустили.
«Казалось бы, малозаметное событие, но которое перевернуло мир. Мы с вами должны понимать, что мы с вами живы и одно из немногих суверенных государств, именно потому что 25 декабря 1946 года вот здесь, на территории Курчатовского института, был пущен этот реактор», — говорит президент НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Ковальчук.
К концу 1946 года на окраине Москвы было возведено здание, где в специальной шахте находился тот самый знаменитый реактор Ф-1 — родоначальник отечественных ядерных технологий.
Сотрудница Курчатовского института ведет нас к нему по узкому спуску со свинцовыми стенами. Реактор состоит из графитовых кирпичей, в которых ближе к центру устроены каналы для урановых стержней. В центре активной зоны стержни кадмиевые. Под контролем оператора они движутся вверх и вниз, запуская и останавливая ядерную реакцию.
«Основная его задача — это доказать теорию на практике о том, что самоподдерживающаяся цепная реакция деления ядер урана возможна. Ну и так же на этом реакторе были наработаны индикаторные количества плутония», — поясняет заместитель руководителя истории Курчатовского института Татьяна Питерская.
Позже оружейного плутония в СССР оказалось достаточно, чтобы успешно испытать собственную атомную бомбу, а еще позже, достичь ядерного паритета с США. Страна начала развивать мирный атом. В 1954 году первая в мире атомная электростанция, в 1959 году первый в мире атомный ледокол, позже первый ускоритель термоядерного синтеза — Токамак. А продолжатели дела Курчатова работают сегодня над источниками энергии, которые обычному человеку и представить сложно.
«А вы представьте себе — есть материал, называется термоэлектрики. Эти материалы поглощают тепло и превращают его в электричество; вот представьте себе, что мы научимся делать, и ничему крутиться не надо, у нас стоять будут батареи. Вот у нас есть такие прототипы, мы с их помощью будем осваивать Арктику», — рассказывает Михаил Ковальчук.
С главой института журналисты говорили в одной из лабораторий построенных вокруг синхротрона. Он позволяет заглянуть внутрь любого вещества и увидеть его с точностью до атома. В итоге создавать новые наноструктуры, например, для электронных проводов, передающих энергию без потерь, нанотранзисторов для электроники, биоразлагаемых полимеров для медицины. Например, эти штифты для сращивания костей просто растворяются, выполнив свою задачу. Напыляемое нетканое волокно для лечения ожогов, на очереди искусственная кожа для трансплантаций. По словам Ковальчука прежде для простоты ученые разделили познание на дисциплины. И это было не совсем верно. Исследования идут на стыке наук. Взять те же компьютеры.
«Мы понимали, что надо скопировать мозг. Но в то время средства наши исследовательские не позволяли изучить биологические молекулы, из которых состоит живое. Теперь мы понимаем, как мозг устроен. Есть прототип компьютера. Совсем другой, который не будет потреблять энергию и будет аналогичен тому работать, как работает мозг», — рассказывает Михаил Ковальчук.
Мыслить на столетия вперед — этот принцип Курчатова реализуется в институте и сегодня. К 75-летию отечественного прорыва в ядерных технологиях посвящена выставка «Ф-1 — Феноменально первый. Атомный проект, который изменил мир». Открыта она для всех в павильоне ВДНХ «Рабочий и колхозница».
Исторически важная дата: 75 лет назад в СССР был запущен первый ядерный реактор
Для всей атомной отрасли страны сегодня день особенный. Ровно 75 лет назад состоялся запуск первого отечественного реактора, что и по сей день позволяет нашей стране пользоваться энергией мирного атома и сохранять ядерный паритет с США.
Эти часы ученые группы Курчатова или, как ее называли, «лаборатории №2» остановили ровно в 18 часов 25 декабря 1946 года. Тогда здесь на пульте управления под радостные крики, вовсю звучал этот звук. Это счетчик уровня радиации в реакторе. Так страна взяла под контроль необузданную силу атома.
Нужно было спешить. Американская ядерная бомбардировка Японии не оставила сомнений, США обязательно используют атомную мощь как инструмент давления или как оружие в противостоянии с СССР. Наши ученые этого не допустили.
Михаил Ковальчук, президент Курчатовского института: «Казалось бы, мало заметное событие, но которое перевернуло мир. Мы с вами должны понимать, что мы с вами живы, и одно из немногих суверенных государств именно потому, что 25 декабря 1946 года вот здесь на территории Курчатовского института был пущен этот реактор».
К концу 46-го года на окраине Москвы было возведено здание, где в специальной шахте находился тот самый знаменитый реактор Ф1, родоначальник отечественных ядерных технологий. Сотрудница Курчатовского института ведет съемочную группу к нему по узкому спуску со свинцовыми стенами.
Реактор состоит из графитовых кирпичей, в которых ближе к центру устроены каналы для урановых стержней. В центре активной зоны стержни кадмиевые. Под контролем оператора они движутся вверх и вниз, запуская и останавливая ядерную реакцию.
Татьяна Питерская, заместитель руководителя отдела истории Курчатовского института: «Основная его задача – это доказать теорию на практике о том, что самоподдерживающаяся цепная реакция деления ядер урана возможна. Ну и также на этом реакторе были наработаны индикаторные количества плутония».
Позже оружейного плутония в СССР оказалось достаточно, чтобы успешно испытать собственную атомную бомбу, а еще позже достичь ядерного паритета с США. Страна начала развивать мирный атом. В 54-м году первая в мире атомная электростанция, в 59-м году первый в мире атомный ледокол, позже первый ускоритель термоядерного синтеза,Токамак. А продолжатели дела Курчатова работают сегодня над источниками энергии, которые обычному человеку и представить сложно.
Михаил Ковальчук, президент Курчатовского института: «А вы представьте себе, есть материал, называется термоэлектрики. Эти материалы поглощают тепло и превращают его в электричество, вот представьте себе, что мы научимся делать, и ничему крутиться не надо, у нас стоять будут батареи. Вот у нас есть такие прототипы, мы с их помощью будем осваивать Арктику».
С главой института корреспондент Первого канала говорил в одной из лабораторий, построенных вокруг синхротрона. Он позволяет заглянуть внутрь любого вещества с точностью до атома. В итоге создавать новые наноструктуры, например, для электронных проводов, передающих энергию без потерь, нанотранзисторов для электроники, биоразлагаемых полимеров для медицины. Вот, например, эти штифты для сращивания костей просто растворяются, выполнив свою задачу. Напыляемое нетканное волокно для лечения ожогов, на очереди искусственная кожа для трансплантаций. По словам Ковальчука, прежде для простоты ученые разделили познание на дисциплины. И это было не совсем верно. Сейчас исследования идут на стыке наук. Взять те же компьютеры.
Михаил Ковальчук, президент Курчатовского института: «Мы понимали, что надо скопировать мозг. Но в то время средства наши исследовательские не позволяли изучить биологические молекулы, из которых состоит живое. И теперь мы понимаем, как мозг устроен. Есть новый прототип компьютера. Совсем другой, который не будет потреблять энергию и будет аналогичен тому работать, как работает мозг».
Мыслить на столетия вперед – этот принцип Курчатова, реализуется в институте и сегодня. К 75-летию отечественного прорыва в ядерных технологиях посвящена выставка Ф1, феноменально первый, ядерный проект, который изменил мир. Открыта она для всех в павильоне ВДНХ «Рабочий и колхозница».