Chicago Pile-1

Chicago Pile-1 (CP-1) — первый в мире искусственный ядерный реактор, построенный в 1942 году на теннисном корте под трибунами заброшенного стадиона «Стагг-филд» Чикагского университета. Реактор представлял собой экспериментальную установку, предназначенную для демонстрации возможности осуществления управляемой цепной ядерной реакции деления урана. Создание CP-1 стало ключевым этапом Манхэттенского проекта — программы США по разработке ядерного оружия.

История создания

Предпосылки

В 1938 году немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман открыли деление ядра урана под действием нейтронов. Вскоре было установлено, что в процессе деления выделяются дополнительные нейтроны, способные вызвать деление соседних ядер, что теоретически позволяло осуществить самоподдерживающуюся цепную реакцию. В 1939 году, после начала Второй мировой войны, группа учёных-эмигрантов из Европы (включая Лео Силарда, Эдварда Теллера и Юджина Вигнера) убедила Альберта Эйнштейна подписать письмо президенту США Франклину Рузвельту, в котором указывалось на возможность создания «чрезвычайно мощных бомб нового типа». Это письмо привело к созданию Консультативного комитета по урану, а затем — к запуску Манхэттенского проекта.

Руководство проектом

В 1941 году руководство проектом по созданию ядерного реактора было поручено итальянскому физику Энрико Ферми, эмигрировавшему в США в 1938 году. Ферми ранее занимался изучением замедления нейтронов и разработал теорию цепной реакции. В 1942 году группа Ферми, работавшая в Металлургической лаборатории Чикагского университета, получила задание построить экспериментальный реактор для проверки возможности управления ядерной реакцией.

Строительство

Первоначально реактор планировалось построить в Аргоннском лесу, к юго-западу от Чикаго, однако из-за задержек с поставками материалов и опасений по поводу безопасности строительство было перенесено в центр Чикаго. Местом сборки стал теннисный корт под западными трибунами стадиона «Стагг-филд». Конструкция получила название «Чикагская поленница-1» (Chicago Pile-1) из-за внешнего сходства с поленницей дров.

Строительство началось 16 ноября 1942 года. Основным материалом для реактора послужил графит высокой чистоты, который использовался в качестве замедлителя нейтронов. В графитовых блоках размещались «ложементы» — сферические упаковки с ураном и оксидом урана. Всего было использовано около 360 тонн графита, 52 тонны урана и 6 тонн оксида урана. Реактор имел форму сплюснутого эллипсоида диаметром около 7,6 метра и высотой около 6 метров. Для управления реакцией использовались три стержня из кадмия (сильно поглощающего нейтроны), которые вводились в активную зону через отверстия в графитовой кладке.

Запуск и работа

Первая цепная реакция

2 декабря 1942 года в 15:25 по местному времени под руководством Энрико Ферми была осуществлена первая в истории управляемая цепная ядерная реакция. Ключевым моментом стало извлечение контрольного стержня (так называемого «стержня дзета»), который удерживался в активной зоне. Реактор вышел на критичность при мощности около 0,5 ватта. Реакция продолжалась 28 минут, после чего стержни были возвращены на место, и реактор был заглушён.

Особенности работы

Реактор не имел системы охлаждения и биологической защиты. Вся тепловая энергия, выделявшаяся в процессе реакции (около 0,5–1 Вт), рассеивалась в графитовой кладке. Из-за отсутствия защиты персонал, находившийся в помещении, подвергался значительному облучению, хотя дозы были относительно невелики благодаря малой мощности. Для контроля уровня нейтронного потока использовались счетчики Гейгера и ионизационные камеры.

Последующие эксперименты

После успешного запуска CP-1 был демонтирован и перевезён в Аргоннскую национальную лабораторию, где на его основе был построен реактор CP-2 (Chicago Pile-2), который использовался для исследований свойств нейтронов и наработки плутония. В 1943 году на базе CP-1 был создан реактор CP-3, который стал первым реактором, использующим в качестве замедлителя тяжёлую воду.

Устройство и конструкция

Активная зона

Активная зона CP-1 представляла собой слоистую структуру: графитовые блоки размером 10×10×10 см укладывались в шахматном порядке. В каждом блоке имелись отверстия для размещения урановых «ложементов». Уран использовался как в виде металлических слитков, так и в виде порошка оксида урана (U₃O₈). Слои графита и урана чередовались, что обеспечивало эффективное замедление нейтронов.

Замедлитель

Графит был выбран в качестве замедлителя из-за его низкого сечения захвата нейтронов и высокой способности замедлять быстрые нейтроны до тепловых энергий. Для обеспечения чистоты графита он проходил специальную обработку, так как примеси (особенно бор) могли поглощать нейтроны и препятствовать развитию цепной реакции.

Система управления

Управление реактором осуществлялось тремя кадмиевыми стержнями. Один стержень (автоматический) управлялся электродвигателем, второй (ручной) — оператором, третий (аварийный) был закреплён на верёвке и мог быть сброшен в активную зону вручную в случае аварии. Для контроля нейтронного потока использовались детекторы, расположенные вблизи реактора.

Научное и историческое значение

Доказательство принципа

Запуск CP-1 доказал возможность осуществления управляемой цепной ядерной реакции. Это подтвердило теоретические расчёты Ферми и открыло путь к созданию как ядерного оружия, так и атомной энергетики. Реактор продемонстрировал, что можно контролировать выделение энергии при делении урана.

Вклад в Манхэттенский проект

Успешный запуск CP-1 позволил перейти к масштабному производству плутония-239 для ядерных бомб. В 1943 году на базе реакторов типа CP-1 были построены промышленные реакторы в Хэнфорде (штат Вашингтон), которые нарабатывали плутоний для бомбы «Толстяк», сброшенной на Нагасаки.

Наследие

CP-1 считается первым шагом в эру атомной энергетики. В 1946 году на месте его расположения была установлена мемориальная табличка. В 1965 году стадион «Стагг-филд» был снесён, но на его месте установлен памятный знак «Ядерная энергия» работы скульптора Генри Мура. В 2008 году CP-1 был включён в список Национальных исторических памятников США.

Интересные факты

• Во время строительства реактора учёные опасались, что цепная реакция может выйти из-под контроля и вызвать взрыв. Для предотвращения этого была разработана система аварийной остановки, включавшая сброс кадмиевого стержня и заливку активной зоны раствором соли кадмия.
• В день запуска, 2 декабря 1942 года, Энрико Ферми, по легенде, сказал: «Итальянский мореплаватель вступил в Новый Свет». Эта фраза стала символом начала атомной эры.
• Реактор CP-1 не имел названия в официальных документах до момента запуска. Название «Chicago Pile-1» было дано уже после успешного эксперимента.
• В 1943 году, после переезда в Аргонн, реактор был переименован в CP-2, но его конструкция осталась практически неизменной.

Источники

• Rhodes, R. (1986). The Making of the Atomic Bomb. Simon & Schuster.
• Fermi, E. (1946). The Development of the First Chain Reacting Pile. Proceedings of the American Philosophical Society.
• Hewlett, R. G., & Anderson, O. E. (1962). The New World, 1939/1946: A History of the United States Atomic Energy Commission. Pennsylvania State University Press.
• National Museum of Nuclear Science & History. Chicago Pile-1.
• U.S. Department of Energy. The First Reactor.