Из статьи Э. Ферми

Из статьи Э. Ферми "Нейтрон"

...Нейтрон - сравнительно тяжелая частица, имеющая массу, равную одной массовой единице, и, как известно, нулевой заряд, которому он обязан своим названием. Его огромное значение в строении вещества было понято почти немедленно после открытия; атомные ядра состоят из различного числа протонов и нейтронов, определяющих их заряд и массу...
Примерно в 1934 г. супруги Жолио-Кюри сделали весьма важное открытие: бомбардируя некоторые вещества ?-частицами, они открыли, что после бомбардировки в веществах возникает искусственная радиоактивность, т. е. вещества становятся радиоактивными. Это было исключительно важное открытие: радиоактивность перестала подчиняться кажущемуся закону независимости от внешних воздействий, "не позволявшему" воспроизвести ее; только после открытия Жолио-Кюри ее удалось создать искусственно...
Чтобы вызвать искусственную радиоактивность с помощью нейтронов, достаточен весьма простой опыт, который легко выполнить, имея маленький источник нейтронов. Опыт выполняется следующим образом. В непосредственной близости от источника нейтронов помещается пластинка алюминия или железа, или вообще того элемента, который желательно изучить, и оставляется на некоторое время, которое может составлять минуты, часы, дни (в зависимости от случая). Нейтроны, вылетающие из источника, ударяют в какие-либо из ядер вещества. При этом происходит множество реакций самого различного типа. В грубых чертах их можно описать так. Когда нейтрон приближается к ядру бомбардируемого элемента, он не отталкивается из-за своей нейтральности. Этим значительно увеличивается вероятность его присоединения к ядру. Конечно, ядро мало, и поэтому трудно в него попасть, но ядро, так сказать, не защищается. Когда нейтрон сталкивается с ядром, могут произойти различные явления. Может случиться так, что нейтрон будет просто поглощен ядром и произойдет возбуждение последнего, после чего оно может испустить электромагнитное излучение в форме гамма-лучей и превратиться в ядро, вес которого на единицу больше. Эта реакция обычно обозначается символом (n, g). Другими из числа наиболее обычных реакций являются реакция (n, р) (захват нейтронов и вылет протона) и реакция (n, a) (захват нейтрона и вылет a-частицы). Имеются и другие реакции, но здесь мы не будем их приводить. Во всех этих реакциях образуется ядро, отличное от исходного, потому что в одном случае нейтрон присоединяется к ядру, а в других случаях он обменивается на протон или на a-частицу. Обычно исходят из устойчивого ядра, причем в большинстве случаев приходят к неустойчивому, т. е. радиоактивному, ядру. Радиоактивность может быть измерена экспериментальными методами весьма большой чувствительности, в частности счетчиками Гейгера - Мюллера. Счетчик регистрирует распад атомов за несколько секунд или минут, поэтому явление, количественно очень слабое, в действительности весьма легко наблюдаемо. Автор должен сознаться, что в то время он был преимущественно физиком-теоретиком, поэтому если нам иной раз и удавалось проводить крайне простые опыты, то едва опыт становился немного сложнее, как он выходил за пределы наших экспериментальных возможностей. В таких случаях помощь оказывали коллеги... Наша группа имела счастье произвести то, что можно назвать случайным открытием. Был один опыт, на который автор, откровенно говоря, даже не рассчитывал, хотя, будучи физиком-теоретиком, и должен был бы предвидеть, что произойдет; однако открытие было случайным и его не искали. Речь идет об открытии так называемых медленных нейтронов.
Проводимые в тот период опыты были не полностью воспроизводимы, так как нельзя было достигнуть абсолютно идентичных условий. В связи с этим опыты носили несколько случайный характер. Все же наблюдались различия, казавшиеся необъяснимыми. Именно активность в примерно одинаковых случаях получалась иногда малой, а то вдруг большой. Случалось, наконец, что, помещая облучаемую пластинку достаточно далеко от источника, так, что активность должна была бы получиться почти неизмеримой, мы, напротив, измеряли определенную активность. Поскольку явление, хотя и странное, можно было воспроизвести, мы стали производить серию наблюдений, помещая активируемые объекты один за другим, в надежде напасть на такие обстоятельства, которые дадут ключ к решению проблемы. И ключ нашелся, когда между облучаемым объектом и источником оказался маленький кусочек парафина. Этот кусочек парафина увеличивал интенсивность немедленно, хотя и немного. Поэтому возник вопрос: если это делает малое количество парафина, что же сделает большое количество?
Помещая все большее и большее количество парафина, мы, в самом деле, увеличивали эффект: интенсивность увеличивалась примерно в 20-50 раз... Потом стало понятно, что это странное явление, вероятно, должен был бы ожидать физик-теоретик; это был эффект замедления нейтронов. Замедление происходит в парафине, содержащем в весьма значительной доле водород. Явление, которое совершенно сходным образом производится водой, состоит в следующем. Описанный нами источник нейтронов, как и почти все источники нейтронов, испускает нейтроны с довольно большой энергией (в общем случае порядка миллиона вольт). Но если эти нейтроны попадают в парафиновый блок или в сосуд с водой, они сталкиваются с атомами водорода, а так как нейтрон и водородный атом с большим приближением имеют одинаковую массу, получается примерно случай, аналогичный случаю столкновения биллиардных шаров. Кинетическая энергия толкающего шара распределяется в среднем на равные части между обоими шарами, так что первый шар уходит приблизительно с половиной своей начальной энергии; то же происходит при последующих столкновениях. Энергия каждый раз уменьшается примерно вдвое и таким образом постепенно становится малой. В случае нейтрона энергия должна была бы совсем обратиться в нуль, если бы в некоторый момент не вмешивалось тепловое возбуждение. Так как водородные атомы в воде и в парафине находятся в тепловом возбуждении, замедление не происходит безгранично, а прекращается, когда энергия нейтрона становится такой, что нейтрон приходит в тепловое равновесие со средой; образуется нечто вроде раствора нейтронов в воде. Конечно, раствор получается весьма разбавленный и, кроме того, совсем особенный: в то время как обычные растворы могут сохраняться в сосудах, не существует, к сожалению, сосудов, способных удерживать нейтроны. Когда нейтрон подходит к стенке сосуда, содержащего воду, он выходит наружу, так что получается раствор в состоянии непрерывной диффузии наружу; кроме того, в этом растворе растворенное вещество непрерывно исчезает, так как нейтроны, сталкиваясь с атомами водорода, частично захватываются. Нейтрон в воде живет около 200 мкс; такое время достаточно, чтобы получить раствор с весьма большой активирующей способностью...
В наших опытах того периода по поглощению среди прочих облучаемых элементов был уран; было отмечено, что он ведет себя странно, но мы не предвидели, насколько странным окажется его поведение. Облучение урана в действительности дает много активностей; мы пытались, с нашей довольно примитивной химией, идентифицировать элементы, ответственные за каждую из этих активностей, но этого нам не удалось. Выявилось, что активность такого характера всегда была вызвана не теми элементами, которые исследовались Мы исследовали уран, протактиний, торий и постепенно по периодической системе дошли до эманации, но не нашли такой же активности. Тогда мы решили, что образуются трансурановые элементы. Трансурановые элементы, как известно, действительно образуются, но совсем другим образом и не в тех условиях, как мы тогда думали. Разгадка этого странного поведения урана была найдена Ганом и Штрассманом, которые установили, что ошибка наших опытов состояла в том, что мы пренебрегли исследованием элементов в области средних значений атомных весов. И действительно, эти авторы нашли, что в упомянутом явлении деления урана образуются элементы середины периодической системы. Схема их образования приблизительно следующая. Ядро урана, которое мы предполагаем шарообразным, сплющивается от удара нейтрона, и форма ядра испытывает периодические изменения, в результате чего оно становится менее устойчивым и иногда совсем выходит из равновесия, удлиняясь так сильно,что возвращающая сила уже не способна восстановить его сферическую форму; форма ядра проходит последовательность конфигураций 1, 2, 3 и, наконец, ядро делится на две части. Получающиеся осколки почти одинаковы, обычно один несколько тяжелее, хотя они и одного порядка величины. Оба радиоактивных осколка разлетаются в разные стороны. Действительно, оба они положительны, и как только соединяющая их шейка разрывается, электростатическое отталкивание удаляет их друг от друга, сообщая им огромную энергию; это и есть основной источник большой энергии, получающейся при делении. 
Автору явление деления стало известно в январе 1939 г. Естественно, в физике был период оживления: во многих лабораториях экспериментаторы спешно исследовали особые свойства этого нового типа разложения ядер. Тогда мы впервые поняли, что явление такого рода открывает перед ядерной физикой большие перспективы.
У автора возникла идея, подтвержденная дальнейшими опытами: в результате деления ядра на два осколка могут образоваться еще нейтроны, подобно тому как при разрыве капли иной раз получаются мелкие брызги. Тогда как следствие может оказаться, что нейтрон, произведший деление, образует в среднем, допустим, еще два, так что становится возможной цепная реакция. В ней из начального нейтрона путем последовательного удвоения может получиться произвольно большое число их, пока остается уран для деления.
Эта идея много обсуждалась. Стали искать подтверждение вышеуказанной гипотезы. Экспериментальное доказательство дал Жолио с несколькими своими сотрудниками, группа, работавшая с нами в Колумбийском университете, и, более или менее независимо, Сцилард с сотрудниками. С тех пор автор настоящих лекций на многие годы посвятил всю свою деятельность экспериментам такого типа, чтобы выяснить, к чему можно прийти. В частности, следует отметить, что еще в сравнительно ранний период исследований была получена цепная реакция в устройстве, где нейтроны замедлялись графитом. Это устройство - атомный котел; оно состояло из большой массы графита, в которой надлежащим образом размещались куски урана. Когда система достигла достаточно больших размеров, она начала действовать самопроизвольно; реакция в ней полностью управляема. Если интенсивность возрастает, достаточно ввести тела, поглощающие нейтроны. Если, наоборот, желательно увеличить активность, надо удалить эти поглотители. Таким образом, поведение котла - исключительно спокойное, регулируемое и не грозит взрывом...

Из статьи Э. Ферми 
"Создание первого ядерного котла"

В течение многих лет было известно, что в атомных ядрах содержится огромный запас энергии, и что освобождение этой энергии не противоречит ни закону сохранения энергии, ни другим общепринятым основным законам физики. Признавая этот факт, физики все же вплоть до недавнего времени придерживались мнения, что освобождение ядерной энергии в крупных масштабах не может быть достигнуто, если только не будут открыты какие-то новые явления...
Возможным путем освобождения ядерной энергии является цепная реакция. При подавляющем большинстве ядерных превращений происходит испускание частиц (a-частиц, протонов или нейтронов), которые, в свою очередь, могут вызвать новые реакции. Тогда можно представить себе такое положение, когда в результате протекания первой реакции образуется достаточно много частиц, чтобы вызвать в среднем более одной подобной реакции. Если это так, то в каждом "поколении" возрастает число ядер, принимающих участие в реакции, и это происходит до тех пор, пока не "выгорит" значительная часть первоначального вещества. Цепная реакция будет развиваться или затухать в зависимости от того, больше или меньше единицы число новых процессов, происходящих под действием частиц, испущенных при первом процессе. Это число называется "коэффициентом размножения".
Для всех без исключения процессов, которые были известны до открытия деления в начале 1939 г., коэффициент размножения был исчезающе мал по сравнению с единицей. С открытием процесса деления появились новые возможности...
К весне 1939 г. стало широко известно, что при делении, происходящем в результате соударения нейтрона с ядром урана, может возникнуть несколько, вероятно около двух или трех, новых нейтронов. В то время многие физики полагали, что возможность осуществления цепной реакции с помощью деления урана заслуживает внимательного изучения...
Возвращаясь к шагам, приведшим к получению цепной реакции, я хотел бы отметить, что в конце 1939 г. из имевшейся тогда информации явствовало, что заслуживают внимания два подхода к решению этой задачи. Первым шагом в одном из них должно было служить выделение из обычного урана редкого изотопа 235U, ответственного за деление урана медленными нейтронами. При таком выделении исключается паразитное поглощение нейтронов в распространенном изотопе 238, поэтому считалось, что, как только будет получен уран с высоким содержанием 235U, будет легко осуществить и цепную реакцию. Действительная трудность состояла, конечно, в том, чтобы разделение изотопов осуществить в промышленных масштабах.
Другое направление, которое я и хотел рассмотреть в этом сообщении, исходило из применения естественного урана. Размещение этого вещества таким образом, чтобы смогла произойти цепная реакция, представляло, конечно, гораздо более трудную задачу, чем аналогичный вопрос для 235U. Действительно, надо очень бережливо использовать нейтроны, образовавшиеся в результате первичного деления, чтобы, несмотря на большое паразитное поглощение 238U, добиться положительного баланса нейтронов. Надо приложить все силы, чтобы сделать соотношение между полезным и паразитным поглощениями нейтронов как можно более благоприятным. Соотношение между этими поглощениями зависит от энергии нейтронов; если не вдаваться в детали, оно наиболее благоприятно для нейтронов малых энергий. Поэтому один из шагов состоит в замедлении нейтронов от их высокой начальной энергии... до энергии теплового движения. В течение некоторого времени уже был известен простой процесс, помогающий достичь этой цели. Этот процесс основан на том очевидном факте, что когда быстрый нейтрон сталкивается с атомом и отскакивает от него, то некоторая часть энергии нейтрона теряется на отдачу атома. Для легких атомов, которым легче испытывать отдачу, эффект возрастает и достигает максимума для водорода, но он вполне заметен и для всех легких элементов.
Итак, для того чтобы замедлить нейтроны, уран должен быть распределен по объему, занимаемому удобным легким элементом. Казалось бы, что проще всего применить самый легкий элемент, водород, соединения которого (вода, парафин) было общепринято использовать для замедления нейтронов. Однако при дальнейших исследованиях обнаружилось, что водород не совсем подходит для этой цели. Это обусловлено тем, что ядра водорода способны заметно поглощать нейтроны, образуя при этом ядро тяжелого водорода, дейтерия. Поэтому при использовании водорода для замедления нейтронов появляется новый источник паразитного поглощения, который угрожает "съесть" небольшой положительный избыток нейтронов, необходимый для поддержания цепной реакции.
Поэтому надо рассматривать замедлители нейтронов из других легких элементов. По сравнению с водородом все они не так эффективны, но зато существовала надежда на уменьшение поглощения, что могло с избытком компенсировать этот недостаток...
При обсуждении выбора замедлителя в нашей группе, которая работала над этой проблемой в Колумбийском университете в течение 1939-1940 гг., ...мы пришли к выводу, что наиболее обещающие возможности открывает использование графита. Весной 1940 г. ... мы начали экспериментальные исследования свойств графита, используя несколько тонн этого вещества... Работа шла по двум направлениям: определялись характеристики поглощения нейтронов в графите и изучалась его эффективность как замедлителя нейтронов...
Было организовано промышленное производство практически чистой окиси урана и получено некоторое количество литого металлического урана. Соответственно улучшились и результаты... экспериментов. Они показывали теперь, что, применяя эти сорта материалов более высокого качества, можно построить установку, в которой пошла бы цепная реакция.
Фактическое возведение первой такой установки было начато в октябре 1942 г. Было намечено построить решетчатую структуру шарообразной формы, поддерживаемую деревянной рамой. Эта структура должна была располагаться на кортах для игры в сквош спортивного городка Чикагского университета...
Сооружение котла заняло несколько более месяца... Все это время с помощью измерений интенсивности нейтронов, образующихся внутри котла, постоянно контролировалось приближение к критическим условиям, условиям наступления цепной реакции...
В оставленные специально щели в структуре были вставлены кадмиевые полосы (кадмий является одним из наиболее сильных поглотителей нейтронов). Поглощение в кадмиевых полосах было достаточно велико, чтобы при введении их в котел цепная реакция не могла начаться. Каждое утро кадмиевые полосы постепенно, одна за другой, удалялись и производилось измерение плотности нейтронов. По результатам измерения можно было судить, насколько далеко от условий критичности мы находились.
Утром 2 декабря 1942 г. результаты измерений указывали на то, что критические размеры слегка превзойдены и что в системе не происходит цепная реакция только из-за поглощения в кадмиевых полосах. Этим утром были осторожно удалены все кадмиевые полосы, кроме одной. Затем, внимательно следя за интенсивностью, мы стали постепенно выводить последнюю полосу. Судя по результатам измерений, можно было ожидать, что система станет критической при выдвижении последней полосы примерно на восемь футов. Когда было выдвинуто около семи футов, то интенсивность возросла до очень большого значения, но через несколько минут все-таки задержалась на конечном уровне. Распоряжение выдвинуть полосу еще на полтора фута было отдано с некоторым трепетом: делался решающий шаг. Когда полтора фута были удалены из котла, интенсивность начала подниматься сначала медленно, затем быстрее, и продолжала возрастать, пока не стало ясно, что она действительно может стать бесконечно большой. Тогда в структуру были снова введены кадмиевые полосы, и интенсивность упала до очень малого уровня. Этот прототип установки, использующей цепную реакцию, оказался очень легким в управлении. Можно было очень ,точно установить интенсивность ее работы на желаемом уровне. Оператору оставалось только смотреть за показаниями индикатора интенсивности и вдвигать кадмиевые полосы, если интенсивность обнаруживала тенденцию к возрастанию, или выдвигать их, если интенсивность падала. Управлять котлом так же легко, как вести автомобиль по прямой дороге, подправляя руль всякий раз, когда автомобиль склонен повернуть направо или налево. Через несколько часов тренировки оператор может без затруднений удерживать интенсивность. Реакции постоянной с точностью до доли процента. …Первый котел не содержал никаких устройств для отвода тепла, образующегося при реакции, и не имел защиты от излучения, возникающего при делении. По этим причинам мощность, при которой мог работать котел, имела только символическое значение; она никогда не превышала двухсот ватт. Тем не менее с помощью первого котла было доказано, что цепная реакция в системе из графита и естественного урана возможна и что она легко управляема.