Наука, стоящая за первой цепной ядерной реакцией, положившей начало атомному веку 75 лет назад

Во время рождественских каникул 1938 года физики Лиза Мейтнер и Отто Фриш получили загадочные научные новости в частном письме от химика-ядерщика Отто Гана. При бомбардировке урана нейтронами Ган сделал несколько удивительных наблюдений, которые противоречили всему, что было известно в то время о плотных ядрах атомов — их ядрах.

Мейтнер и Фриш смогли дать объяснение увиденному, которое произвело революцию в области ядерной физики: ядро ​​урана могло разделиться пополам — или, как они это называли, расщепиться — с образованием двух новых ядер, называемых осколками деления. Что еще более важно, этот процесс деления высвобождает огромное количество энергии. Это открытие на заре Второй мировой войны стало началом научной и военной гонки, направленной на то, чтобы понять и использовать этот новый атомный источник энергии.

Обнародование этих результатов академическим сообществом сразу же вдохновило многих ученых-ядерщиков на дальнейшее изучение процесса ядерного деления. Физик Лео Сцилард сделал важное открытие: если при делении испускаются нейтроны, а нейтроны могут вызывать деление, то нейтроны от деления одного ядра могут вызвать деление другого ядра. Все это может каскадироваться в самоподдерживающийся «цепной» процесс.

Так началось стремление экспериментально доказать возможность цепной ядерной реакции, и 75 лет назад исследователи из Чикагского университета преуспели, открыв дверь в то, что станет ядерной эрой.

Использование деления

В рамках Манхэттенского проекта по созданию атомной бомбы во время Второй мировой войны Сцилард вместе с физиком Энрико Ферми и другими коллегами из Чикагского университета работал над созданием первого в мире экспериментального ядерного реактора.

Для устойчивой контролируемой цепной реакции каждое деление должно вызывать только одно дополнительное деление. Еще немного, и будет взрыв. Еще немного, и реакция затухнет.

В более ранних исследованиях Ферми обнаружил, что ядра урана легче поглощают нейтроны, если нейтроны движутся относительно медленно. Но нейтроны, испускаемые при делении урана, быстрые. Итак, для чикагского эксперимента физики использовали графит для замедления испускаемых нейтронов посредством процессов многократного рассеяния. Идея заключалась в том, чтобы увеличить шансы нейтронов быть поглощенными другим ядром урана.

Чтобы убедиться, что они могут безопасно управлять цепной реакцией, команда собрала то, что они назвали «управляющими стержнями». Это были просто листы элемента кадмия, отличного поглотителя нейтронов. Физики вставили управляющие стержни в уран-графитовый котел. На каждом этапе процесса Ферми рассчитывал ожидаемую эмиссию нейтронов и медленно удалял управляющий стержень, чтобы подтвердить свои ожидания. В качестве предохранительного механизма кадмиевые регулирующие стержни можно было быстро вставить, если что-то пойдет не так, чтобы остановить цепную реакцию.

Они назвали эту установку размером 20x6x25 футов Chicago Pile Number One, или сокращенно CP-1 — и именно здесь они получили первую в мире управляемую цепную ядерную реакцию 2 декабря 1942 года. Одного случайного нейтрона было достаточно, чтобы запустить процесс цепной реакции. когда-то физики собрали СР-1. Первый нейтрон вызовет деление ядра урана с испусканием набора новых нейтронов. Эти вторичные нейтроны сталкивались с ядрами углерода в графите и замедлялись. Затем они столкнутся с другими ядрами урана и вызовут второй раунд реакций деления, испустят еще больше нейтронов и так далее. Кадмиевые регулирующие стержни гарантировали, что процесс не будет продолжаться бесконечно, потому что Ферми и его команда могли точно выбрать, как и куда их вставить, чтобы контролировать цепную реакцию.

Контроль над цепной реакцией был чрезвычайно важен: если бы баланс между произведенными и поглощенными нейтронами был не совсем правильным, то цепные реакции либо вообще не протекали бы, либо в другой гораздо более опасной крайности цепные реакции быстро размножались бы с высвобождением огромного количества энергии.

Иногда через несколько секунд после деления в цепной ядерной реакции высвобождаются дополнительные нейтроны. Осколки деления обычно радиоактивны и могут испускать различные виды излучения, в том числе нейтроны. Энрико Ферми, Лео Силард, Юджин Вигнер и другие сразу же признали важность этих так называемых «запаздывающих нейтронов» в управлении цепной реакцией.

Если бы они не были приняты во внимание, эти дополнительные нейтроны вызвали бы больше реакций деления, чем предполагалось. В результате цепная ядерная реакция в их чикагском эксперименте могла выйти из-под контроля и привести к потенциально разрушительным последствиям. Однако, что еще более важно, эта временная задержка между делением и высвобождением большего количества нейтронов дает людям некоторое время, чтобы отреагировать и внести коррективы, контролируя мощность цепной реакции, чтобы она не протекала слишком быстро.

События 2 декабря 1942 года стали огромной вехой. Выяснение того, как создать и контролировать цепную ядерную реакцию, стало основой для 448 ядерных реакторов, производящих энергию сегодня по всему миру. В настоящее время 30 стран включают ядерные реакторы в свой энергетический портфель. В этих странах ядерная энергия обеспечивает в среднем 24 процента их общей электроэнергии, а во Франции она достигает 72 процентов.

Успех CP-1 был также важен для продолжения Манхэттенского проекта и создания двух атомных бомб, использовавшихся во время Второй мировой войны.

Оставшиеся вопросы физиков

Поиски понимания испускания запаздывающих нейтронов и ядерного деления продолжаются в современных лабораториях ядерной физики.Сегодняшняя гонка ведется не за создание атомных бомб или даже ядерных реакторов; это для понимания основных свойств ядер посредством тесного сотрудничества между экспериментом и теорией.

Исследователи экспериментально наблюдали деление только небольшого числа изотопов — различных версий элемента в зависимости от количества нейтронов в каждом из них — и детали этого сложного процесса еще недостаточно изучены. Современные теоретические модели пытаются объяснить наблюдаемые свойства деления, например, сколько энергии высвобождается, количество испускаемых нейтронов и массы осколков деления.

Эмиссия запаздывающих нейтронов происходит только для ядер, которые не встречаются в природе, и эти ядра живут лишь короткое время. Хотя эксперименты выявили некоторые ядра, испускающие запаздывающие нейтроны, мы пока не можем достоверно предсказать, какие изотопы должны обладать этим свойством. Мы также не знаем точных вероятностей испускания запаздывающих нейтронов или количества выделяемой энергии — свойств, которые очень важны для понимания деталей производства энергии в ядерных реакторах.

Кроме того, исследователи пытаются предсказать новые ядра, в которых возможно ядерное деление. Они строят новые эксперименты и новые мощные установки, которые обеспечат доступ к ядрам, которые никогда прежде не изучались, в попытке напрямую измерить все эти свойства. Вместе новые экспериментальные и теоретические исследования дадут нам гораздо лучшее понимание ядерного деления, что может помочь улучшить производительность и безопасность ядерных реакторов.

И деление, и испускание запаздывающих нейтронов — процессы, которые также происходят внутри звезд. Создание тяжелых элементов, таких как серебро и золото, в частности, может зависеть от свойств деления и эмиссии запаздывающих нейтронов экзотических ядер. Деление разрушает самые тяжелые элементы и заменяет их более легкими (осколками деления), полностью меняя элементный состав звезды.Эмиссия запаздывающих нейтронов добавляет в звездную среду больше нейтронов, которые затем могут вызвать новые ядерные реакции. Например, ядерные свойства сыграли жизненно важную роль в слиянии нейтронных звезд, которое недавно было обнаружено гравитационно-волновыми и электромагнитными обсерваториями по всему миру.

Наука прошла долгий путь со времен видения Сциларда и доказательства Ферми управляемой цепной ядерной реакции. В то же время возникли новые вопросы, и еще многое предстоит узнать об основных ядерных свойствах, которые управляют цепной реакцией, и ее влиянии на производство энергии здесь, на Земле, и в других местах нашей Вселенной.

Эта статья была первоначально опубликована на The Conversation.

Артемис Спайроу, доцент кафедры ядерной астрофизики Мичиганского государственного университета

Вольфганг Миттиг, профессор физики Мичиганского государственного университета