«Открыл дверь в атомный век»: как Энрико Ферми создал первый ядерный реактор

Итальянский и американский ученый Энрико Ферми считается одним из основоположников ядерной физики. Самый известный его проект — создание первого ядерного реактора, лежащего в основе Манхэттенского проекта по разработке ядерного оружия в США. Однажды физик Джон Кокрофт сказал: «Было ясно, что Ферми открыл дверь в атомный век». Уже через два года после того, как Ферми продемонстрировал цепную реакцию, в США провели первое испытание ядерной бомбы под названием «Тринити» на полигоне Аламогордо. В том же году Америка подвергла атомной бомбардировке японские города Хиросиму и Нагасаки.

Интерес Энрико Ферми к науке

В детстве у Энрико Ферми появился интерес к математике и физике. Первым его любопытство заметил друг отца, Адольф Амидеи, и стал учителем мальчика. Вскоре Ферми поступил в среднюю школу, которую окончил экстерном, пропустив год. В 1918 году он получил грант на обучение и поступил в Высшую нормальную школу в Пизе. Энрико сперва выбрал математический профиль, но после сменил его на физический, где стал изучать квантовую механику и ядерную энергетику.

Научный руководитель молодого человека, Луиджи Пуччанти, говорил, что студент настолько умный, что его нечему обучать. Уже в 20 лет Ферми получил докторскую степень, а спустя еще пять лет он открыл свои первые законы, известные сейчас как «Статистика Ферми».

Создание новых элементов путем бомбардировки нейтронами: дорога к Нобелевской премии

В 1934 году Энрико предположил, что нейтроны, тяжелые частицы, находящиеся в ядре, могут быть использованы для расщепления атомов. В тот момент он руководил группой ученых в Риме, которые создавали радиоактивные элементы путем бомбардировки нейтронами.

Команда исследователей начала сталкивать с нейтронами все элементы, начиная с фтора, в надежде получить новые изотопы. В результате физики создали около ста новых искусственных элементов, которые быстро распадались. Однако они столкнулись с проблемой, когда эксперименты дошли до урана — самого тяжелого элемента из изученных в то время.

В какой-то момент ученым показалось, что бомбардировка урана удалась, но они не смогли подтвердить успех эксперимента позже. Однако участники команды заметили: при столкновении на деревянном столе элемент становится более радиоактивным, чем при столкновении на мраморном. Ферми объяснил это тем, что более легкие ядра водорода и углерода на деревянном столе замедляют нейтроны, что и увеличивает радиоактивность элемента.

Тогда же он выдвинул теорию — если замедлить нейтроны веществами, содержащими много протонов, например, водой или парафином, то синтез ядер пройдет эффективнее. Позже он узнал, что именно медленные нейтроны создают цепную ядерную реакцию, и это стало ключевой деталью в его исследовании.

Спустя четыре года немецкие ученые Отто Ган и Лиза Мейтнер решили повторить работу Ферми и смогли расщепить атом урана. Оказалось, что в 1934 году Энрико удалось добиться деления элемента, но он не смог это зафиксировать из-за неподходящего оборудования.

В 1938 году ученый получил Нобелевскую премию по физике за «доказательства существования новых радиоактивных элементов, образующихся при облучении нейтронами, и за связанное с этим открытие ядерных реакций, вызванных медленными нейтронами».

Церемония вручения Нобелевской премии проходила в Стокгольме, куда Ферми отправился вместе со своей женой Лаурой и детьми. После семья решила не возвращаться в Италию — в стране тогда приняли антисемитские законы. Они угрожали не только супруге Ферми, но и могли оставить без работы самого научного сотрудника. Из-за этого пара решила поехать в Америку.

Идея создания ядерного оружия на основе цепной реакции

В США Энрико поступил в Колумбийский университет, где познакомился с венгерским физиком Лео Сцилардом, который задумывался о создании цепной реакции. Однако ученому не хватало практических навыков, поэтому он рассказал об идее Ферми, который знал, как нейтроны проходят через вещество.

Энрико Ферми вместе с Альбертом Эйнштейном, Эдвардом Теллером и Юджином Вигнером в 1939 году подписали обращение, написанное Лео Сцилардом и адресованное президенту Франклину Рузвельту. В нем ученые высказали опасения, что Германия может создать атомную бомбу, и предложили Америке начать собственную ядерную программу.

В том же году Энрико предположил, что создать оружие можно на основе цепной реакции. На разработку американское правительство выделило финансирование, несмотря на то, что Ферми официально не был гражданином страны и считался «подданным враждебной державы».

Физик считал, что если количество выпущенных электронов превысит число поглощенных, то это будет самоподдерживающейся цепной реакцией. Теорию получилось подтвердить на практике, однако ученые не могли точно установить количество быстрых нейтронов — тех, чья кинетическая энергия больше установленной величины, у ядерных реакторов это обычно больше 0,1 мегаэлектронвольт.

Для дальнейших исследований была создана Металлургическая лаборатория Чикагского университета под руководством Артура Комптона. Она была настолько секретной, что даже мэр Чикаго не знал о работе ученых. Спустя год неудачных экспериментов, в 1942, ученые смогли добиться, чтобы коэффициент размножения нейтронов был больше единицы. Это было важно, ведь в противном случае реакция бы затухала, а не разгонялась, как это было необходимо.

«Чикагская поленница–1»: первый ядерный реактор

Строить первый ядерный реактор стали под трибунами университетского стадиона Stagg Field в Чикаго. Конструкция представляла из себя слои графитовых блоков, заключенных в прозрачную оболочку, — Ферми опасался, что атмосферный азот будет поглощать нейтроны, мешая работе реактора. Части для него создавали на месте — графитовые блоки выпиливали в подвалах, а оксид урана, что был заключен в некоторые из них, сдавливали на гидравлическом прессе. Полученная конструкция по форме напоминала поленницу, а потому реактор прозвали «Чикагской поленницей-1».

«Чикагская поленница–1» была первой пробой пера, а потому система охлаждения в ней отсутствовала. Планировалось, что если реактор сильно разогреется, то ученые будут поливать его водой. Не было никакой защиты от радиационного фона, а он достигал три рентгена в час, при норме 10-20 микрорентген в час.

Эксперимент, в ходе которого получилось создать контролируемую самоподдерживающуюся цепную реакцию, был проведен 2 декабря 1942 года. Реакция длилась всего 28 минут, и коэффициент нейтронов лишь немного превысил единицу, однако это стало первым шагом в Манхэттенском проекте по созданию атомной бомбы.

Энрико Ферми — один из отцов атомной бомбы

После создания ядерного реактора, в 1944 году, Ферми переехал в Лос-Аламос и начал работать в Национальной лаборатории Нью-Мексико. Энрико стал одним из руководителей Манхэттенского проекта и непосредственно наблюдал за первым испытанием бомбы в Аламогордо. Подробнее о том, кто еще занимался созданием ядерного оружия — читайте в нашем материале!

Во время Второй мировой войны он был одним из консультантов президента Гарри Трумэна по вопросам использования бомбы в военных целях, а после был назначен в Генеральный консультативный комитет Комиссии по атомной энергии США.

Уже 80 лет ядерные реакторы обеспечивают человечество энергией, при этом не всегда безопасной — взрыв на Чернобыльской АЭС произошел в 1986 году, однако там до сих пор высокий уровень радиации. Сейчас ученые работают над компактными реакторами малой мощности и над замыканием ядерного топливного цикла, чтобы перерабатывать уже используемое, с помощью реакторов на быстрых нейтронах. Больше о новинках в сфере ядерных технологий — читайте в нашем материале!