Харитон и Зельдович: условия осуществления ядерной цепной реакции 1939

Источник: Холловэй Д., 1997

Самая важная теоретическая работа, выполненная в этот период в Советском Союзе, принадлежала Юлию Харитону и Якову Зельдовичу . В ней определялись условия, при которых может произойти ядерная цепная реакция . Статьи, опубликованные этими двумя учеными в 1939-1941 гг., предопределили ту ключевую роль, которую позднее им предстояло сыграть в развитии советского ядерного оружия .

Поначалу Зельдович и Харитон работали над проблемой деления ядер урана по вечерам, но вскоре поняли, что задача настолько велика, что ее решению они должны посвятить все свое время. Они стали участвовать в работе Курчатовского семинара , на котором вскоре ознакомились с новейшими исследованиями в области ядерной физики. В октябре 1939 г. они направили в ЖЭТФ (Журнал экспериментальной и теоретической физики) две свои работы. В первой из них рассматривалась возможность развития цепной реакции, возникающей в уране-238 под воздействием быстрых нейтронов [ 23 ].

Бор утверждал, что уран-238 не делится медленными нейтронами; если бы цепная реакция на быстрых нейтронах имела место, то нейтроны, испускаемые при делении, вызвали бы последующее деление еще до их замедления. Зельдович и Харитон теоретически определили условия, при которых цепная реакция могла бы иметь место, и сделали заключение, основанное на имеющихся экспериментальных данных, что требуемые условия не могут осуществиться в уране-238, будь то окись урана или чистый металлический уран [ 24 ]. В своей второй статье Зельдович и Харитон исследовали возможность цепной реакции на медленных нейтронах в природном уране [ 25 ].

Опыты, проведенные Ферми совместно с Лео Сцилардом и Гербертом Андерсоном в Колумбийском университете в Нью-Йорке и Жолио и его сотрудниками в Париже, показали, что на возможность цепной реакции в природном уране существенным образом влияет резонансное поглощение нейтронов в уране-238 до того, как они замедлятся и смогут вызвать деление урана-235. Ферми с сотрудниками провели свои опыты с ураном, помещенным в бак с водой. Они пришли к выводу, что "даже при оптимальной концентрации водорода остается крайне неопределенным, превзойдет ли выход нейтронов их полное резонансное поглощение" [ 26 ].

Иными словами, не было ясно, сможет ли водород существенно замедлить нейтроны таким образом, чтобы избежать резонансного захвата и тем самым сделать возможной цепную реакцию.

Зельдович и Харитон по-другому интерпретировали результаты, полученные Жолио и Ферми, основываясь на своей собственной теории, трактующей условия, необходимые для возникновения цепной реакции, и сделали вывод о том, что она не будет возможной в системе уран - вода. Зельдович и Харитон писали о том, что для осуществления цепной реакции "необходимо для замедления нейтронов применять тяжелый водород или, быть может, тяжелую воду , или какое-нибудь другое вещество, обеспечивающее достаточно малое сечение захвата. ...Другая возможность заключается в обогащении урана изотопом 235 ". Если содержание урана-235 в природном уране будет повышено с 0,7 до 1,3%, то, по их расчетам, в качестве замедлителя могли бы быть использованы вода или водород [ 27 ].

На 4-й Всесоюзной конференции по физике ядра , состоявшейся в ноябре 1939 г. в Харькове , Харитон доложил о работе, выполненной им совместно с Зельдовичем. Из его доклада следовало, что "из этих расчетов, которые на первый взгляд приводят к пессимистическим выводам, видно, однако, по какому пути можно идти для осуществления цепной реакции. Достаточно повысить в уране концентрацию изотопа 235, чтобы реакция оказалась возможной. Если, с другой стороны, в качестве замедлителя вместо водорода использовать дейтерий, то поглощения в замедлителе практически не будет, и реакция, очевидно, также будет осуществима. Оба пути кажутся сейчас довольно фантастическими, если вспомнить, что для осуществления реакции необходимы тонны урана. Однако принципиально возможность использования внутриядерной энергии открыта" [ 28 ].

На конференции возникла дискуссия об использовании деления ядра в качестве источника энергии или для взрывов, но никто из ее участников не считал, что это дело близкого будущего [ 29 ].

Нильс Бор и Джон Уилер опубликовали важнейшую работу по теории деления в журнале "Физикэл Ревью" 1 сентября 1939 г., за два дня до начала войны в Европе [ 30 ]. Помимо прочего, эта работа содержала теоретическое обоснование гипотезы Бора, согласно которой именно уран- 235 делится медленными нейтронами. Александр Лейпунский , который представил на Харьковской конференции обзор состояния исследований по ядру, большую его часть посвятил теории Бора и Уилера. Он сказал, что в течение очень долгого времени нельзя будет осуществить разделение изотопов, и утверждал, что цепная реакция на медленных нейтронах - "весьма сомнительна". Более того, добавил он, ничего нельзя сказать о возможности реакции на быстрых нейтронах, поскольку отсутствуют данные о таких процессах, как замедление быстрых нейтронов [ 31 ].

Большинство советских ученых скептически относились к возможности использования атомной энергии. Говорят, что Игорь Тамм в августе 1939 г., комментируя работу Зельдовича и Харитона, сказал: "Знаете ли вы, что означает это новое открытие? Оно означает, что может быть создана бомба, которая разрушит город в радиусе, возможно, десяти километров [от эпицентра взрыва" [ 32 ]. Но такого рода оценка была исключением.

Иоффе в докладе, сделанном в Академии наук в декабре 1939 г., отметил, что представляется маловероятным, что в этом случае возможно использование результатов ядерной физики в практических целях [ 33 ].

Капица в 1940 г. по этому же поводу заметил, что для осуществления ядерных реакций потребуется больше энергии, чем они могут отдать. Понадобится разделить изотопы, а для этого необходимо будет "затратить энергии больше, чем можно рассчитывать получить от ядерной реакции". Было бы весьма удивительным, сказал он, если бы возможность использовать атомную энергию превратилась в реальность [ 34 ].

Ссылки: