Чикагская поленница-1

Чикагская поленница-1 — это первый в мире промышленный ядерный реактор, достигший критической сборки и самоподдерживающейся цепной ядерной реакции. Он был построен в 1942 году в рамках Манхэттенского проекта под руководством итальянского физика Энрико Ферми. Реактор был размещён на запасном корте спортивного стадиона Чикагского университета (США), откуда и получил своё неформальное название — Chicago Pile-1 (CP-1).

Предыстория

К началу 1940-х годов научные исследования в области ядерной физики, проведённые в ряде стран, показали возможность создания взрывного устройства на основе цепной реакции деления ядер урана. В 1939 году Альберт Эйнштейн и Лео Силард направили письмо президенту США Франклину Рузвельту, предупреждая о потенциальной опасности германской ядерной программы и необходимости форсирования собственных разработок. Это привело к учреждению Манхэттенского проекта — секретной научно-производственной программы по созданию атомной бомбы.

Ключевой задачей на начальном этапе было достижение управляемой самоподдерживающейся ядерной реакции. Для этого требовалось создать экспериментальный реактор, в котором нейтроны, выделяющиеся при делении ядер урана-235, могли бы вызвать деление других ядер, не будучи излишне поглощёнными или потерянными. Конструкция такого реактора, предложенная Ферми, основывалась на принципе использования графита в качестве замедлителя нейтронов.

Конструкция и устройство

Реактор «Чикагская поленница-1» представлял собой шарообразную или эллиптическую конструкцию, собранную из блоков графита высокой степени очистки. Общее количество графита составило около 385 тонн. Внутри графитовых блоков были равномерно распределены небольшие урановые топливные элементы — как в виде кусков металлического урана, так и в виде оксида урана (уранинита). Общее количество урана составило примерно 52–55 тонн.

Для управления интенсивностью цепной реакции использовались стержни из материала, сильно поглощающего нейтроны, — кадмия. В конструкции было предусмотрено три типа стержней: аварийный (на тросе), регулирующий (автоматический) и контрольный (ручной). Для запуска реактора стержни постепенно извлекались, пока не достигалась критическая масса. Для измерения потока нейтронов использовались ионизационные камеры и счётчики нейтронов.

Сборка реактора проводилась вручную. Для снижения риска в случае неконтролируемого разгона реакции над реактором была установлена платформа, на которой дежурили трое «лесорубов» с топорами, готовые в случае аварии перерубить трос аварийного стержня. Кроме того, на случай пожара или взрыва над реактором был установлен баллон с жидким азотом, который мог «залить» реактор и остановить реакцию.

Эксперимент 2 декабря 1942 года

Основной эксперимент по запуску реактора состоялся 2 декабря 1942 года. Группа под руководством Ферми произвела поэтапное извлечение кадмиевых стержней. В 15:25 по местному времени, после извлечения последнего регулирующего стержня, в реакторе была зафиксирована самоподдерживающаяся цепная реакция. Мощность реактора в этот момент составляла около 0,5 ватт — значительно ниже уровня, при котором генерируется заметное тепло. Реактор проработал около 28 минут, после чего был остановлен введением аварийного стержня.

Символическое сообщение о достижении успеха было передано в Вашингтон зашифрованной фразой: «Итальянский мореплаватель достиг нового мира». Эти слова приписывают Джеймсу Конанту, одному из руководителей Манхэттенского проекта.

Значение и последствия

Запуск Чикагской поленницы-1 стал поворотным моментом в истории физики и технологии. Впервые была продемонстрирована возможность самоподдерживающейся цепной ядерной реакции деления, управляемой человеком. Этот эксперимент доказал практическую осуществимость ядерного реактора как источника энергии и как устройства для наработки плутония-239, который мог быть использован в ядерных зарядах.

Вскоре после успешного запуска было начато строительство более мощных реакторов в Хэнфорде (штат Вашингтон) для производства плутония, необходимого для бомбы «Толстяк». В 1943 году «Чикагская поленница-1» была частично демонтирована, а её часть перевезена в Национальную лабораторию Аргонн, где она использовалась для дальнейших исследований.

Критика и риски

Хотя проект считается научным триумфом, его осуществление сопровождалось значительным риском. Конструкция реактора не имела никакой защиты от радиации, и персонал, работавший с реактором, подвергался облучению. По современным оценкам, доза облучения, полученная некоторыми участниками эксперимента, могла превышать безопасные нормы, хотя непосредственных жертв или тяжёлых последствий в ходе эксперимента зафиксировано не было. Кроме того, в случае неконтролируемого разгона реакции мог произойти выброс радиоактивных материалов, что несло угрозу для жителей Чикаго.

Интересные факты

• Название «поленница» (pile) происходит от слоистой структуры графитовых блоков, напоминающей поленницу дров.
• Стоимость постройки реактора составила около 1,5 миллиона долларов США (в ценах 1942 года).
• После завершения эксперимента реактор был частично разобран и часть его материалов использована для строительства реактора «Чикагская поленница-2» в Аргонне.
• Место, где находился CP-1 в Чикагском университете, в настоящее время отмечено мемориальной табличкой и бронзовой скульптурой, символизирующей атомную энергию.

Источники

• Fermi, E. (1946). The Development of the First Chain Reaction, Bulletin of the Atomic Scientists.
• Groves, L. R. (1962). Now It Can Be Told: The Story of the Manhattan Project. Harper & Brothers.
• Manhattan Project Historical Sites: Chicago Pile-1, US Department of Energy.
• Глассстоун, С., & Джонс, Р. (1958). Основы ядерной физики и ядерных реакторов.