Плутониевая зона - [16]

В поисках путей, улучшающих условия протекания цепного процесса, Ферми и Сцилард высказали в 1940 году перспективное предложение: ускорять процесс замедления рождающихся быстрых нейтронов с помощью специальной добавки к урану легких химических элементов.

При столкновении с легкими атомами процесс замедления нейтронов будет протекать в десятки раз быстрее, чем это происходит при столкновении с тяжелыми ядрами урана. Добавки могут значительно увеличить вероятность замедления нейтрона, избегая паразитного захвата ураном-238. В качестве подобных замедлителей рассматривались бериллий и вода — обычная или «тяжелая».

Но фактически первая искусственная цепная реакция была достигнута с использованием в качестве замедлителя углерода (графита). Это была так называемая уран-графитовая сборка, запущенная в действие под руководством Ферми в Чикаго, в декабре 1942 года.

Другими факторами, уменьшающими вероятность достижения цепной реакции, являются: поглощение нейтронов различными естественными примесями, содержащимися в уране и графите, а также холостая утечка нейтронов через боковую поверхность сборки в окружающее пространство.

Уменьшить влияние первого фактора можно с помощью тщательной технологической очистки от посторонних примесей исходных материалов: урана и графита. Смягчить второй фактор можно с помощью увеличения объема и массы урановой системы и придания ей наиболее оптимальной формы — близкой к шарообразной.

Все эти трудности были преодолены впервые в США, в 1942 году.

Такая уран-графитовая сборка сверхкритических размеров, в которой была впервые достигнута цепная реакция деления, получила в США название «атомный котел». В СССР прижилось название «реактор».

Цепная реакция деления, достигнутая в уран-графитовой сборке, имела не только демонстрационное значение, подтверждающее теоретические расчеты физиков. Пуск урановых котлов имел сугубо практическую и чисто военную нацеленность.

В процессе работы котла часть ядер урана-238 превращается в новый химический элемент — плутоний-239. А он, по теоретическим прогнозам физиков, должен был обладать способностью к делению еще в большей степени, чем уран-235. Иными словами, атомная бомба могла быть не только урановой, но и плутониевой.

К атомному оружию вели два пути: разделение изотопов и получение плутония в уран-графитовом реакторе. Объект «А» в челябинской зоне предназначался для наработки оружейного плутония.

8

Как показывали теоретические расчеты, проведенные в секретной лаборатории № 2 под руководством Курчатова, цепная реакция в реакторе «А» при требуемой тепловой мощности 100 мегаватт может быть достигнута при использовании в сборке примерно 100 тонн урана и 1000 тонн идеально чистого графита.

При оптимальной с физической и конструкторской точки зрения форме — приплюснутый цилиндр — критический размер сборки должен равняться примерно 8 метрам (по высоте и диаметру).

Таким образом, центральной конструкцией «Аннушки» являлся гигантский цилиндр, высотой и диаметром с трехэтажный дом, сложенный из специальных графитовых кирпичей.

В проектных документах он назывался графитовой кладкой.

Внутри кладки должны были быть установлены в виде дискретной решетки детали из металлического урана высшей степени очистки общим весом примерно 100 тонн.

Изготовление фрагментов из металлического урана было освоено на подмосковном заводе в г. Электростали в начале 1946 года. Они имели вид цилиндрических блочков диаметром с толстую свечку и длиной около десяти сантиметров. Отгрузка их в зону намечалась на конец 1947 года.

Вся сложность конструкции уран-графитовой сборки заключалась в том, что выделяемая при делении ядер урана энергия должна была неминуемо вызывать саморазогрев урановых блочков. И если не производить охлаждение, то температура их может возрасти настолько, что они расплавятся и спекутся с окружающим графитом. Это принципиально недопустимо, поскольку надо было иметь возможность не только установить урановые блочки внутрь графитовой кладки, но и потом, после нескольких месяцев работы реактора и накопления в них драгоценного плутония, выгрузить их из реактора и направить на переработку. Иными словами, конструкция должна была позволять сравнительно легко загружать блочки в графитовую кладку и по мере необходимости достаточно просто разгружать их в приемный бункер.

Таким образом, с самого начала проектирования реактора «А» было понятно, что выделяемое ураном во время работы тепло необходимо отводить, постоянно охлаждая блочки потоком холодной воды.

В качестве источника воды планировалось использовать озеро Кызыл-Таш.

Необходимость охлаждения урановых блочков и периодической их загрузки-выгрузки налагала определенные, вполне очевидные требования к конфигурации уран-графитовой решетки.

Из отчета американского ученого Г.Д. Смита «Атомная энергия для военных целей», 1946 г.:

«Оба эти затруднения можно устранить, применив вместо точечной решетки стержневую, и концентрировать, следовательно, уран вдоль линий, проходящих через замедлитель, а не распределять его в отдельных точках. Совершенно ясно, что стержневое расположение удовлетворительно с механической и инженерной точек зрения».