Чикагская поленница - первый искусственный ядерный реактор

Однако уже в 30-е годы XX века в мире науки начали раздаваться голоса физиков, которые приводили расчеты о возможности создания сверхоружия на основе деления атомов урана или плутония. В Германии над проблемой деления атомов урана работали физики под управлением Вернера Гейзенберга, а в США собралось целое созвездие ученых, бежавших от фашистских режимов многих стран. Среди них такие личности как: итальянец Энрике Ферми, бежавший из Германии Альберт Эйнштейн, из Венгрии бежал Лео Силард, из Дании прибыл Нильс Бор.

С чего все началось..

Перед Второй мировой войной ученые были уверены в возможности создания ядерной бомбы, но общего мнения в направлении работ над созданием оружия у ученых не было. Перспективными линиями в создании бомбы полагались обогащение природного урана 235 и превращение урана 238 в плутоний 239 путем облучения первых нейтронами. Определиться, каким путем идти, собравшиеся в Соединенных Штатах специалисты не смогли, решено было параллельно двигаться в обоих направлениях.

Чтобы получать не существующий в природе оружейный плутоний требовалось создать управляемую самоподдерживающуюся цепную реакцию. В 1939 году Лео Силард совместно с Энрике Ферми высказал предположение, что возможно получить плутоний, если уран поместить в матрицу с замедлителем нейтронов. При распаде урана из его ядра вылетают свободные нейтроны. Однако их скорость (кинетическая энергия) слишком высока, чтобы вызвать цепную реакцию. Добиться нужного эффекта можно, если быстрые нейтроны замедлить путем столкновения с атомами легких материалов. Идеальным замедлителем оказался графит.




В 1941 году в университете Чикаго была создана лаборатория для изучения свойств урана и методов его обогащения. Из соображений секретности лаборатория получила наименование "Металлургическая", главой ее стал известный американский физик Артур Комптон, должность руководителя экспериментальной группы досталась Энрике Ферми. Специалистам сопутствовал успех, и к ноябрю 1942 года металлического урана было наработано столько, что появилась возможность создать первый на планете атомный реактор.

Чикагская поленница

По мере наработки ядерного топлива было решено переходить к постройке самого реактора. В качестве материала деления использовался металлический уран массой 5.6 тонны, а также 2 вида оксидов этого металла - U3O8 примерно 3,7 тонны и около 33 тонн UO2. 350 тонн графита представляли собой замедлитель.




Работы по созданию реактора начались в ноябре 1942 года. В центре активной зоны разместили металлический уран (его было мало и приходилось как можно эффективнее использовать). Затем начали выкладывать поочередно графитовые бруски, каждый второй из них был полым, в эту пустоту закладывали ядерное топливо. Получилась кубическая решетка топливных блоков с шагом примерно 21 сантиметр. Поначалу планировалось создать активную зону в виде сферы с диаметром в 7,4 метра. Уже в процессе работы над активной зоной стало понятно, что хватит 6 метров высоты. Так что сфера получилась сплюснутая сверху. По внешнему виду сооружение больше всего напоминало уложенную поленницу дров, откуда и получила свое название.




Системы защиты активной зоны просто не было. Охлаждать реактор в случае раскаленности его ядра планировалось поливанием водой из обычных шлангов. Для регулирования процесса цепной реакции были предусмотрены поглощающие нейтроны стержни, сделанные из бористой стали и кадмия. Для приведения реактора в рабочее состояние имелся стержень, доставаемый вручную. Для аварийной заглушки реактора по его центру был подвешен на веревке еще один стержень, в случае опасности веревку следовало перерубить топором. Никакой защиты от радиации для персонала не предусматривалось.

Первая цепная реакция

1 декабря 1942 года в конце рабочего дня контрольные замеры показали, что размер активной зоны приближается к необходимому для проведения цепной реакции.




Утром 2 декабря вокруг реактора собрались все ведущие физики проекта. В 9 часов 35 минут был извлечен аварийный защитный стержень, в реакторе началась цепная реакция. Коэффициент воспроизведения (отношение количества нейтронов в данном поколении к количеству нейтронов в предыдущем поколении) равнялся всего 1,0006 (у современных реакторов этот коэффициент приближается к 1,01), поэтому мощность реактора нарастала медленно. В среднем мощность удваивалась в течение минуты.




В районе 12 часов дня сработала защита реактора, и он был заглушен. Работники устроили обед и затем снова запустили реактор. На сей раз цепная реакция продолжалась до 15:53, после чего реактор снова заглушили. Хотя была достигнута мощность всего в 0,5 ватта, успех первого эксперимента можно считать полным - была опытным путем доказана возможность поддержания управляемой цепной реакции.




Эксперименты продолжились, и 12 декабря мощность реактора была доведена до вполне осязаемых 200 ватт. На этой мощности "Чикагская поленница" проработала примерно 35 минут, полностью подтвердив все научные выкладки. Возле самого реактора радиация достигла уровня 3 Рентген в час, в дальних концах помещения уровень жесткого излучения составлял 360 мР/ч.

После экспериментов в феврале 1943 года "Чикагскую поленницу" разобрали, большая часть ее элементов отправили в лаборатории города Арагон. Там эти части пошли на сборку нового атомного реактора.