Становление атомной индустрии

Практически сразу после открытия вынужденного деления 235U тепловыми нейтронами многим учёным стали очевидны перспективы, как создания ядерных реакторов, так и атомных бомб. В Германии («Урановый проект»), США («Манхэттен»), Великобритании («Тыоб эллойз»), Японии («Ни») начались ядерные оружейные программы. Определённые работы в этом направлении велись в СССР и Франции.

Урановый проект стартовал в Германии ещё до начала Второй мировой войны. (Напомним, что 2-ая мировая война началась 2.09.1939).

Открытие О.Гана и Ф.Штрассмана опубликовано в 6.01.1939 в журнале Naturwissenschaften, а уже в 24.04.1939 в высшие военные инстанции Германии было направлено письмо за подписью профессора П. Гартека и его ассистента В. Грота, в котором указывалось на принципиальную возможность создания нового вида высокоэффективного взрывчатого вещества. «Та страна, которая первой сумеет практически овладеть достижениями ядерной физики, приобретёт абсолютное превосходство над другими».

Пуск первого в мире атомного реактора (Э.Ферми, 1942)

Рис. 1. Пуск первого в мире атомного реактора (Э.Ферми, 1942).

По разным причинам Германии не удалось создать ядерное оружие. Был смонтирован и испытан атомный реактор на необогащенном металлическом уране с использованием в качестве замедлителя тяжёлой воды, но режим самоподерживающейся реакции деления на нём не был достигнут.

Проведение ядерных исследований в нацистской Германии сильно напугало союзников по антигитлеровской коалиции, поэтому и в Англии и в США созданию атомного оружия начали уделять повышенное внимание.

Сначала в создании атомного оружия лидером была Великобритания, однако интенсивные немецкие бомбардировки островов привели к свёртыванию этих работ. При этом часть учёных, некоторые материалы и оборудование оказались в США. Туда же эмигрировали учёные из Германии и стран, оккупированных ею.

Развитию ядерной индустрии способствовало открытие и изучение свойств трансурановых элементов: нептуния (Э.Макмиллан, ПЛбельсон) и плутония (Г. Сиборг, А.Валь, Дж. Кеннеди, Э.Сегре). Открытие плутония группой сотрудников Калифорнийского университета в Беркли под руководством Г.Т.Сиборга было совершено с помощью бо-дюймового циклотрона (бомбардировка 2з8и30в дейтронами, разогнанными в циклотроне до 14^-22 МэВ и проходящими через алюминиевую фольгу толщиной 0,002 дюйма). 24.02.1941 было обнаружено, что нептуний-238, спустя два дня после образования (более точное значение периода полураспада 238Np равно 2,117 сут) претерпевает p-распад, и образует химический элемент под номером 94 по реакции:

Оказалось, что 2з8Ри не делится тепловыми нейтронами, и не может служить основой цепной реакции деления. Были начаты поиски другого изотопа плутония. В марте 1941 г. 1,2 кг чистейшей соли урана, замурованной в большой парафиновый блок, подвергли в циклотроне бомбардировке нейтронами, в результате чего были получены 0,5 мкг 239 Ри. 28.03.1941 г. было установлено, что 2з9Ри способен делиться под действием медленных нейтронов, с сечением, превышающим сечение для 2ззи, причём нейтроны, полученные в процессе деления, пригодны для получения следующих актов ядерного деления, т. е. позволяют осуществить цепную ядерную реакцию. Были начаты эксперименты по созданию плутониевой ядерной бомбы и строительство реакторов для его наработки. Первое чистое соединение элемента было получено в 1942 г., а весовые количества металлического плутония — в 1943 г.

Рис. 2. Охлаждаемый воздухом уран-графитовый реактор Х-ю (Ок-Ридж,

США, 1943).

Другим делящимся нуклидом был 235U, содержание которого в природном уране всего 0,7%, что не помешало осуществить управляемую реакцию деления. Наличие в природном уране достаточного для цепного количества 235U, деление 235U под действием тепловых нейтронов, превышение числа нейтронов, образовавшихся в результате деления, над числом затраченными, возникновение при делении запаздывающих нейтронов, наличие в США достаточного количества урана и химически чистого графита позволило Ферми, Сциларду, Зинну и Андерсону 2.12.1942 осуществить первую управляемую цепную реакцию деления в реакторе (уран-графитовая решётка) в Чикаго (CP-i - Chicago Pile -Чикагский котёл). Реактор работал на тепловых нейтронах, топливом служил металлический необогащённый уран (некоторые урановые блоки были изготовлены из диоксида урана), замедлителем был графит, специально очищенный от нежелательных примесей. Первоначально котёл действовал при мощности в 1/2 Вт, но затем мощность была повышена до 200 Вт. Прямых измерений выделяющейся энергии не производилось. Число нейтронов, испускаемых реактором в секунду, оценивали по величине активности фольги из индия. По известному числу нейтронов, освобождаемых на каждое деление, вычислялось количество выделяющейся энергии. Наличие недавно открытых запаздывающих нейтронов позволило управлять реактором.

Пуск этого реактора ознаменовал реальное начало атомной эры. Началась она с создания ядерного оружия.

2.08.1939 Президент США Франклин Рузвельт полупил "письмо Эйнштейна", в котором его внимание обращали на то, что нацистская Германия ведёт активные исследования по созданию атомного реактора и, возможно, оружия.

Замечание. Автором «письма Эйнштейна» был вовсе не А. Эйнштейн. Он только подписал его. Письмо написали физики-эмигранты из Венгрии Л.Сцилард, Ю.Вигнер и Э.Теллер (будущий «отец водородной бомбы»). В работах по созданию атомного оружия Эйнштейн участия не принимал и позже сожалел, что писал Рузвельту. Письмо было направлено не по почте, а передано знакомому Сцилларда в Белом доме Александру Саксу, финансисту', другу и советнику' президента, который вручил его Рузвельту только и октября.

Рузвельт (после доклада разведки о положении дел в Германии) принял в октябре 1939 г. решение упредить Урановый комитет. Руководил Комитетом Л. Бриггс, директор Национального бюро стандартов, в состав комитета входили Сцилард, Сакс, а также представители от Армии и Флота США. В проекте принимали упастие учёные из США, Великобритании, Германии и Канады. В июне 1940 г. в США был образован Национальный комитет по оборонным исследованиям, Комитет по урану вошёл в его состав в качестве подкомитета. Весной 1941 г. Ферми завершил разработку' теории цепной ядерной реакции 20.09.1941 г. в Англии на совещании Комитетом начальников штабов вынесено решение о немедленном начале строительства завода по изготовлению атомных бомб. 6.12.1941 г. в США принято решение о выделении средств и ресурсов на создание ядерного оружия.

7.12.1941 японская авиация нанесла сокрушительный удар по базе Пёрл-Харбор. США официально вступили в войну.

Весной 1942 г. А. Комптон оценил величину критической массы 235(J (в пределах от 2 до 100 кг). Стало понятно, что такой вес самолет может взять на борт. 9 Марта об этом был поставлен в известность Рузвельт. В начале 1942 г. — английский военный кабинет занимается вопросами организации производства урановых бомб. В июне 1942 г. Ферми и Г. Андерсоном в ходе опытов был полупен коэффициент размножения нейтронов больше единицы, что открыло путь к созданию ядерного реактора. 17.09.1942 генерал Л.Гровс (Leslie Richard Groves) возглавил Манхэттенский проект, который стартовал 17.09.1943.

  • 2.12.1942 в США заработал первый в мире ядерный реактор, осуществлена первая самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция.
  • 15.10.1942 генерал Гровс предложил профессору Р.Оппенгеймеру из упиверситета в Беркли руководить научной частью Манхэттенского проекта. В Лос-Аламосе, штат Ныо-Мексико был создан Центр ядерных исследований, в котором была собрана первая атомная плутониевая бомба. В дальнейшем в США велись интенсивные работы по созданию промышленных атомных реакторов, методов разделения изотопов, обогащения урана по изотопу 235U, наработке плутония и производству атомных бомб. Вскоре в Ок-Ридже (Штат Теннеси) были построены заводы, наиболее крупными из которых были Электромагнитный завод (У-12), Газодиффузионный завод (К-25) и Тепловой завод (5-50), вырабатывающий пар для завода К-25.

Изготовление ядерных бомб из 235U натолкнулось на сложность его выделения из природной смеси изотопов. Изотопы пытались разделить разными методами. В частности, в США до практического применения был доведён метод разделения летучих фторидов изотопов урана пористой перегородкой. В середине 1943 г. была пущена экспериментальная газодиффузионная установка в Колумбийском университете, а в 1944 г. закончено строительство первых обогатительных диффузионных заводов. В марте 1944 г. получена первая партия обогащённого урана на заводе К-25 в Ок- Ридже. Некоторую часть 235U дал завод Y-12 в Ок-Ридже, использующий принцип электромагнитного разделения изотопов. На основе обогащенного урана по пушечной схеме изготовлена бомба Little boy» («Малыш», Мк- l), сброшенная на Хиросиму 06.08.1945.

Получение плутония в ядерных реакторах явилось значительно более лёгким делом, чем разделение изотопов урана. В августе 1942 г. в металлургической лаборатории Чикагского университета были получены весовые количества плутония, но основной плутоний был произведен на графитовом реакторе Х-ю (построен в 1942 г.) в Ок-Ридже.

Замечание. 20.08.1942 лантан-фторидным методом Каннинхэм и Вернер выделили 1 рг соединения плутония из 90 кг уранилнитрата, облучённого на циклотроне. Первым промышленным методом получения плутония (реализован на заводе в Хенфорде) стал висмут-фосфатный метод, предложенный Томпсоном и Сиборгом.

Наработка плутония для атомной бомбы «Толстяк» на уран-графитовом реакторе (США, 1944)- Схема операций на реакторе «В»

Рис. 3. Наработка плутония для атомной бомбы «Толстяк» на уран-графитовом реакторе (США, 1944)- Схема операций на реакторе «В»: 1 - топливные элементы, загружаемые в каналы с фронтона; 2 - топливо, облучаемое в реакторе; 3 - облучённое топливо, извлекаемое на обратной стороне и опускающееся в водный бассейн; 4 - топливо, транспортируемое в защитных контейнерах на химический завод для выделения плутония.

В 1943 г. в Хэнфорде на реке Колумбия (округ Бентон, штат Вашингтон) был введён в строй мощный реактор В для получения плутония и радиохимический завод для его извлечения. Плутоний, наработанный на заводах в Ок-Ридже и Хэмфорде, пошёл на создание испытательного устройства «Gadget» (плутониевый заряд), взорванного на полигоне в Аламогордо, а также урановой и плутониевой атомных бомб. «Fat man» («Толстяк», Mark 3, Мк-з), сброшенной 09.08.1945 на г. Нагасаки в Японии.

16.07.1945 г. в США в пустыне под Аламогордо (штат Нью-Мексико) испытано первое ядерное взрывное устройство «Gadget» (одноступенчатое, на основе плутония). В августе 1945 г. на японские города американцами были сброшены первые атомные бомбы Little Boy («Малыш», урановый заряд, пушечная схема, 6 августа Хиросима) и «Fat man» («Толстяк», плутониевый заряд, имплозивная схема, 9 августа, Нагасаки).

К концу 1945 г. США произвели 5 урановых бомб Мк-1, собранных по пушечной схеме, и 4 плутониевые бомбы Мк-3, собранных по имплозивной схеме. В 1947 г. США имели 32 атомные бомбы (СССР - ни одной), в 1952 г. у США было 1005 единиц ядерного и термоядерного орудия (у СССР - 50), в 1977 г. число бомб у США и СССР сравнялось (-25000), в 2011 г. у США было 8500 боезарядов, у России - пооо.

В июле 1946 г. США проводят операцию "Перекрёсток" на атолле Бикини: 4-й и 5-й атомные взрывы в истории человечества, весной 1948 г. операцию "Песчаник" (испытаны 3 усовершенствованные атомные бомбы), в 1951 г. — операцию "Рейнджер" из 5 ядерных взрывов, операцию "Парник" и операцию "Бастер-Джагл" (во время взрыва шли войсковые учения). 1.12.1952 г. США провели на атолле Эниветок первое испытание термоядерного устройства мегатонного класса — Ivy Mike. 1.03.1954 на атолле Бикини проведено испытаний Castle Bravo — самого мощного из взорванных США зарядов. Мощность взрыва достигла 15 мегатонн, в 2,5 раза превысив расчётную. Последствием взрыва стал инцидент с японским рыболовецким судном «Фукурю-Мару», вызвавший перелом в общественном восприятии ядерного оружия.

Великобритания произвела первый надводный ядерный взрыв мощностью около 25 килотонн 3.10.1952 в районе островов Монте-Белло (северо-западнее Австралии). Термоядерное испытание — 15.05.1957 на острове Рождества в Полинезии.

Франция провела наземные испытания ядерного заряда мощностью 20 килотоин 13.02.1960 в оазисе Регган в Алжире. Термоядерное испытание — 24.08.1968 на атолле Муруроа.

Китай взорвал ядерную бомбу мощностью 20 килотонн 16.10.1964 в районе озера Лобнор. Там же была испытана термоядерная бомба 17 июня 1967 года.

Индия произвела первое испытание ядерного заряда мощностью 20 килотонн 18.05.1974 на полигоне Покхаран в штате Раджастхан, но официально не признала себя обладателем ядерного оружия. Это было сделано лишь после подземных испытаний пяти ядерных взрывных устройств, включая 32-килотонную термоядерную бомбу, которые прошли на полигоне Покхаран 11—13 мая 1998 года.

Пакистан провёл подземные испытания шести ядерных зарядов 28 и 30 мая 1998 года на полигоне Чагай-Хиллз в провинции Белуджистан в качестве ответа на индийские ядерные испытания.

КНДР заявила о создании ядерного оружия в середине 2005 года и провела первое подземное испытание ядерной бомбы предположительной мощностью около 1 килотонны 9.10.2006 и второе мощностью 12 килотонн 25.05.2009, 12.02.2013 была испытана бомба мощностью 6-7 килотонн. 6 января 2016 г. испытана предположительно термоядерная бомба.

Израиль не комментирует информацию о наличии у него ядерного оружия, однако, по мнению экспертов, владеет ядериыми боезарядами собственной разработки с конца 1960-х — начала 1970-х гг.

Небольшой ядерный арсенал был у ЮАР, но все шесть собранных ядерных зарядов были добровольно уничтожены при демонтаже режима апартеида в начале 1990-х годов. Полагают, что ЮАР проводила собственные или совместно с Израилем ядерные испытания в районе острова Буве Буве в 1979 г. ЮАР — единственная страна, которая самостоятельно разработала ядерное оружие и добровольно от него отказалась.

Украина, Белоруссия и Казахстан, на территории которых находилась часть ядерного вооружения СССР, после подписания в 1992 г. Лиссабонского протокола были объявлены странами, не имеющими ядерного оружия, и в 1994-96 гг. передали все ядерные боеприпасы России.

По различным причинам добровольно отказались от своих ядерных программ Швеция, Бразилия, Аргентина, Ливия (на разных стадиях; ни одна из этих программ не была доведена до конца). Недобровольно (военной силой со стороны Израиля) была прекращена ядерная программа Ирака. В разные годы подозревалось, что ядерное оружие могут разрабатывать ещё несколько стран. В настоящее время предполагается, что наиболее близок к созданию собственного ядерного оружия Иран. Некоторые страны (например, Япония и Германия), не обладающие ядерным оружием, по своим научно-производственным возможностям способны создать его в течение короткого времени после принятия политического решения и финансирования.

Ядерная энергия использовалась не только в военных, но и в мирных целях.

Первые цепная реакция ядерного распада была осуществлена 2.12. 1942 в Чикагском университете с использованием естественного металлического урана в качестве топлива и графита в качестве замедлителя. Первая электроэнергия из энергии ядерного распада была получена 20.12.1951 в Национальной лаборатории Айдахо с помощью реактора на быстрых нейтронах EBR-I (Experimental Breeder Reactor-I), мощностью 0,1 МВт. Зажглись 4 лампочки! Первая малая АЭС (5 МВт) пущена в СССР (1954, г. Обнинск). В 1956 г. в Великобритании начала работ}' первая промышленная АЭС (46 МВт)«СаЫег На11-1». Далее следовали в 1957 г. АЭС Шиппингпорт в США — 6о МВт и 1959 г. АЭС Маркуль во Франции — 37 МВт. 17.07.1955 город Арко (США) полностью перешёл на электроснабжение от кипящего водяного реактора BORAX III.

В 1960-х годах в США происходил перевод ядерной энергетики на коммерческую основу. Первой коммерческой АЭС стала «Yankee Rowe» мощностью 250 МВТ, проработавшая с i960 до 1992 года. Первой атомной станцией в США, строительство которой финансировалось из частных источников, стала АЭС Дрезден.

Были спущены на воду Военные корабли США — атомные крейсера "Бейбридж" и "Лонг Бич", и первый в мире авианосец "Энтерпрайз", самое длинное в мире военное судно, в 1964 году во время рекордного кругосветного путешествия, в течение которого они преодолели 49190 км за 65 дней без дозаправки. В декабре 1954 года в США вошла в строй первая атомная подводная лодка "Наутилус". В 1959 г. вышло в плавание американское грузо-пассажирское судно с ядерным двигателем «Саванна».

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >