Окончание. Cм. № 18, 22, 30, 34, 38, 46/02

Гордость отечества

Н.Н. Барабанов,
ОНМЦ ЦАО МКО, средняя школа № 175, г. Москва

И. В. Курчатов

К столетию со дня рождения

Первоначально эксперименты проводились в Ленинградском радиевом институте, притом в ночное время, когда минимальны были помехи от различных внешних потребителей энергии. Прежде всего нужно было провести фоновые эксперименты, чему Курчатов всегда придавал большое значение. Когда прибор (рис. 3, см. № 46/02) был подключен к осциллографу через линейный усилитель, первоначально появились редкие наводки от сети, импульсы от наложений альфа-частиц. Поскольку эксперимент был именно фоновый, никаких излучателей нейтронов к камере не подносилось. Тем не менее через некоторое время на экране возник мощный импульс, характерный для осколков деления. В течение часа появилось шесть таких квазиимпульсов. Возник вопрос: откуда берется этот фон?

Эксперимент перенесли из Радиевого института в Ленинградский физтех, дабы устранить возможные наводки, которые могло дать учреждение, – всплески периодичностью шесть импульсов в час сохранялись. Поскольку фоновые импульсы могли давать альфа-частицы, испускаемые ураном, К.А.Петржак ввел внутрь камеры газ радон, который испускал в четыре раза больше альфа-частиц, чем уран внутри камеры, и таким образом должен был «подавить» незапланированные всплески. Они сохранялись. Была высказана мысль о том, что их могут создавать космические лучи. Избавиться от них можно было, погрузившись вместе с установкой в море на подводной лодке, однако Балтийское море в Финском заливе сравнительно мелкое, 20–30 м. И.В.Курчатов командировал Флерова и Петржака в Москву, и дальнейшие испытания камеры проводились под землей на глубине 60 м – в ночное время на станции метро «Динамо». Фоновые всплески с прежней периодичностью повторялись и в этом случае. Тогда стало ясно: их дает сам уран, находящийся на электродах камеры, без каких-либо внешних воздействий.

По распоряжению Курчатова Флеровым и Петржаком была подготовлена короткая заметка об открытии нового типа радиоактивности. А.Ф.Иоффе направил ее по трансатлантическому кабелю – каблограммой – в журнал «Physical Review», где сообщение было опубликовано в июне 1940 г. Г.Н.Флеров позже вспоминал: «Несомненно, под этим сообщением первой должна была стоять фамилия И.В.Курчатова. Он высказал идею опытов с фотонейтронами, по его заданию К.А.Петржак и я сконструировали сверхчувствительную камеру деления, которая и дала возможность обнаружить спонтанное излучение. С ним обсуждались все детали опытов, им предложены основные контрольные эксперименты. Но И.В.Курчатов отказался подписать сообщение, первое время ничем не мотивируя своего решения. Только позднее, уже после выхода в свет нашей работы, мы от него узнали, что он не хотел “затенять” своих учеников».

В этой связи необходимо сказать о том, в какой непростой общественной обстановке приходилось тогда работать Курчатову и его коллегам. По воспоминаниям академика А.П.Александрова на сессии Академии наук СССР 1936 г., где И.В.Курчатов выступал с сообщением по результатам исследований в области ядерной изомерии, Ленинградский физико-технический институт «критиковали за то, что в нем ведутся “не имеющие практической перспективы” работы по ядерной физике. Сейчас даже трудно представить себе, что это происходило всего лишь за 2–3 года до открытия деления урана и обнаружения вылета нейтронов при этом, когда всем физикам стало ясно, что возникла перспектива использования ядерной энергии». Курчатов же был в числе тех, кто уже тогда понимал значение исследований в области физики атомного ядра; об этом говорят, в частности, его письма предвоенных лет в Академию наук СССР и в правительство. И лишь после того, как осенью 1941 г. со страниц зарубежных научных журналов внезапно исчезли все сообщения, все упоминания по ядерной проблематике, стало ясно: тема засекречена, в США и Германии ведутся тайные разработки по созданию сверхоружия.

29 сентября 1943 г. Курчатов был избран действительным членом Академии наук СССР, а чуть раньше, 10 марта, по постановлению Правительства он возглавил работы по созданию атомного оружия в нашей стране. За два месяца до этого назначения ему исполнилось 40 лет. Об этой стороне деятельности ученого широкой аудитории известно одновременно и много, и крайне мало, и дело здесь не только в том, что длительное время его научные исследования в данной области были засекречены. Создание первых в СССР ядерных реакторов, атомного и водородного оружия, первой атомной электростанции, первого советского атомного ледокола «Ленин» (в конце 50-х гг.), активное участие в организации Объединенного института ядерных исследований в подмосковной Дубне, инициирование в 50-е гг. работ в области управляемого термоядерного синтеза – все это было яркими проявлениями личности Курчатова как государственного деятеля. В отличие, например, от С.П.Королева, которого при жизни советские люди знали исключительно как «Главного конструктора космических кораблей», академик Курчатов был депутатом Верховного Совета СССР и даже мог выезжать за рубеж (достаточно вспомнить его поездку в Англию весной 1956 г., где он выступал с докладами по проблемам атомной энергетики и управляемых термоядерных реакций, ставшими за рубежом научной сенсацией). Однако в восприятии многих людей, особенно далеких от науки, эта сторона жизни Курчатова и поныне зачастую заслоняет сделанное им в те же годы в физической науке.Именно на этом следует остановиться подробнее.

3. Создание первого в СССР ядерного реактора

В истории физики ХХ в. этот реактор был по счету вторым. Первый реактор был создан в 1942 г. в Чикаго под руководством Э.Ферми. Однако, если его мощность составляла лишь 200 Вт, то мощность реактора, впервые испытанного лично Курчатовым в декабре 1946 г., достигала 4000 кВт, что давало возможность на базе полученного опыта создавать промышленные реакторы. Что же конкретно было исследовано в те годы в области физики Курчатовым и его коллегами?

Целью создания реактора 1946 г. было, в первую очередь, экспериментальное исследование особенностей протекания цепной реакции в уране-235 под действием медленных нейтронов (наиболее распространенный в природе уран-238 в данном случае непригоден, поскольку поглощение им нейтронов обрывает цепную реакцию). Однако начинать нужно было с проектирования и строительства самого реактора. Из различных вариантов был выбран вариант гетерогенного реактора, где уран располагается отдельными блоками между замедлителем реакции, в качестве которого использовался графит. Теорию замедления нейтронов в гетерогенных системах разработали в 1943 г. И.И.Гуревич и И.Я.Померанчук, показав, что в таких системах легче достичь критических размеров реактора, чем в системах гомогенных, где уран и замедлитель перемешаны равномерно. Также было необходимо исследовать особенности взаимодействия тепловых нейтронов с графитом.
А в связи с этим нужно было, в свою очередь, исследовать свойства самого графита, который тогда выпускался для цветной металлургии и химической промышленности страны. Нужно было, например, чтобы графит имел по возможности большую плотность, ибо при этом улучшаются условия замедления нейтронов и уменьшаются размеры реактора. Для нормального замедления нейтронов нужно было, чтобы содержание примесей в графите, сильно поглощающих нейтроны, не превышало 10^–5–10^–6%. Значит, было необходимо (подчеркнем: в условиях военного времени) отлаживать новые по тем временам технологии производства сверхчистого графита. Не менее жесткие требования предъявлялись к используемому в реакторе урану: содержание в нем примесей (бор, кадмий, редкоземельные элементы) в процентном соотношении не должно было превышать значений, приводившихся выше для графита.

Первые партии урана и графита, полученные по новым технологиям, стали поступать в лабораторию И.В.Курчатова в октябре 1945 г. Далее начались интенсивные эксперименты на крупных графитовых призмах с блочными уран-графитовыми вставками. Исследовалось значение коэффициента размножения нейтронов при различных диаметрах блоков и разных шагах их расположения в графите. Были проведены расчеты необходимых количеств сверхчистых урана и графита для достижения критических размеров реактора, – они составили соответственно 50 и 500 т. В целях экономного расхода материалов было решено сделать активную зону реактора шароподобной, окружив ее слоем нейтронной изоляции из графита соответствующей толщины. Сначала из графитовых блоков собирали модели таких сфер в порядке увеличения их диаметра. На каждой модели при этом постоянно осуществлялась регистрация изменения нейтронного поля в разных точках уран-графитовой кладки. Таких моделей было сложено и разобрано четыре, пятая стала реактором (рис. 4).

Рис. 4. Одна из пяти уран-графитовых сфер первого советского ядерного реактора (Ф-1)

Сам реактор располагался в бетонированном котловане, на дно которого были уложены восемь слоев графитовых брусков. Над ними укладывались слои с отверстиями-гнездами, в которые были вставлены блоки из урана. Были также сделаны три канала для кадмиевых стержней регулирования реакции и аварийной остановки и ряд горизонтальных каналов различной формы и размеров для измерительной аппаратуры и экспериментальных целей. Общее число слоев из графитовых брусков составило шестьдесят два.

25 декабря 1946 г. И.В.Курчатов лично запустил реактор, подняв кадмиевый стержень регулировки цепной реакции. Так впервые на Евразийском континенте был осуществлен управляемый процесс цепного ядерного деления. Оценивая историческую значимость этого события, важно выделить следующее. Во-первых, реактор Ф-1 (таково было наименование реактора-первенца) послужил прообразом многочисленных промышленных ядерных реакторов. А во-вторых, он отнюдь не оказался объектом, если так можно выразиться, «музейного значения». В следующем, 1947 г. на этом реакторе удалось получить первые дозы не встречающегося в природе плутония, являющегося, подобно урану, ядерным горючим, притом в количествах, достаточных для изучения основных физических характеристик его ядра.

Первые «микроколичества» плутония в СССР получил осенью 1944 г. Б.В.Курчатов: в обычной бочке с водой на протяжении трех месяцев с помощью радий-бериллиевого источника непрерывно облучалась колба с гидратом оксида-закиси урана. Полученный им после облучения препарат был альфа-активным. Математическая обработка результатов показала, что двухкилограммовая порция сырья дала после облучения порядка 1012 атомов плутония. Тогда же в руководимой И.В.Курчатовым лаборатории был запущен циклотрон, незадолго до этого перевезенный из Ленинграда, который давал потоки нейтронов на порядки большие, чем радий-бериллиевая ампула. До сентября 1946 г. Б.В.Курчатов химически переработал облученный на циклотроне уранил-нитрат и получил порядка 10–8 г плутония. А в 1947 г. на реакторе Ф-1 получили уже 20 мкг плутония по следующей схеме:

 

Такой образец уже можно было разглядеть в микроскоп. В дальнейшем на основе имевшегося опыта работы на микроколичествах вещества под руководством видного ученого-химика академика В.Г.Хлопина был спроектирован завод для промышленного получения плутония из массы урана, облучавшегося в реакторе. Первый в СССР промышленный реактор для получения плутония был запущен И.В.Курчатовым в июне 1948 г. Под его же руководством в 50-е гг. осуществлялись все пуски крупных промышленных реакторов в нашей стране.

4. Исследования по проблеме управляемого термоядерного синтеза

В современной науке мировые запасы энергии принято оценивать в так называемых условных единицах, при этом за 1 у.е. принимается энергия, выделяющаяся при сгорании 33 млрд т каменного угля. В течение двух тысячелетий (до 1850 г.) человечество израсходовало для своих нужд энергию, соответствующую 9 у.е., еще 5 у.е. было истрачено за последующие 100 лет, до 1950 г. По оценкам энергетиков, общий запас химического топлива на нашей планете составляет примерно 100 у.е., т.е. он является ограниченным. Однако запас термоядерного горючего на Земле существенно выше. В 1 л воды содержится 0,03 г дейтерия, а энергия, выделяющаяся при его синтезе, равноценна энергии, которая выделяется при сгорании 300 л бензина. Применительно ко всему дейтерию, содержащемуся в Мировом океане это соответствует 30 млрд у.е. Поэтому овладеть способами получения такой энергии – значит снять проблему возможного «энергетического голода» цивилизации.

Почему дейтерий называют «термоядерным горючим»? Синтез легких ядер возможен, если преодолевается их кулоновское отталкивание. Но для этого энергия налетающих друг на друга ядер должна быть порядка 0,01–0,1 МэВ, что соответствует температуре 10⁸–10⁹ К. Это больше, чем температура в недрах Солнца; при такой температуре атомы и молекулы полно-стью ионизированы, и стало быть, речь идет о высокотемпературной плазме. Кроме того, выделение энергии при реакции должно превышать затраты на ее осуществление. Самоподдерживающийся процесс синтеза возможен при превышении «температуры зажигания», которая равна 45 млн кельвинов при реакции дейтерий–тритий и 400 млн кельвинов при реакции дейтерий–дейтерий.

Эти условия, в свою очередь, ставят проблему нагрева плазмы и ее удержания в реакторе. При пропускании тока через газовую смесь возникающее вокруг тока магнитное поле стремится сжать ток, в результате чего плазма стягивается в узкий шнур. В физике такое явление называется пинч-эффектом от англ. глагола to pinch (сжать, сдавить). При токах порядка 10⁵–10⁶ А магнитное давление оказывается столь большим, что плазменный шнур отрывается от стенок разрядной камеры, изолируется. В прямолинейных плазменных шнурах есть термоизоляция от боковых стенок, но она отсутствует на электродах, между которыми возбуждается разряд. Поэтому края шнура охлаждаются. Выход из положения состоит в том, чтобы свернуть прямой шнур в тор и разогревать его индукционными токами.

Исследования кольцевых электрических разрядов в сильных продольных магнитных полях проводились в руководимом И.В.Курчатовым институте с 1955 г., когда под руководством И.Н. Головина и Н.А.Явлинского была построена первая установка серии «Токамак» (токовая камера, магнитная катушка). Ток в плазме возбуждался так же, как он возбуждается во вторичной обмотке трансформатора, и на первой установке этой серии он достигал 250 кА. Было установлено, что время удержания плазмы пропорционально, во-первых, площади сечения плазменного шнура, что означало необходимость увеличения размеров установки для увеличения этого времени; во-вторых, это время было пропорционально индукции продольного магнитного поля, которую можно было увеличивать, используя сверхпроводящие магниты.

Существенно также следующее. Столкновения частиц, результатом которых является реакция синтеза, происходят тем чаще, чем выше их концентрация. Но если она составляет 10²⁵ м^–3 (концентрация газа при нормальных условиях), то давление в плазме будет столь велико, что его реально не выдержит ни одно техническое устройство. Например, при уже упоминавшейся температуре зажигания в реакции дейтерий–дейтерий 400 млн кельвинов, согласно формуле p = n₀kT, это давление будет равно 5,52 • 10¹⁰ Па. Значит, при давлении порядка 10⁶ Па – это соответствует реально допустимой прочности материалов – необходимо существенно уменьшить концентрацию частиц в плазме. Но тогда реже будут проходить столкновения, вызывающие реакцию, и потому для ее поддержания нужно увеличивать время пребывания частиц в реакторе. Удержательной способностью устройства принято считать произведение концентрации частиц на время их пребывания в реакторе. Установлено, что эта величина составляет 10²² м^–3 • с для реакции дейтерий–дейтерий и 10²⁰ м^–3 • с для реакции дейтерий–тритий. Тогда для первой из этих реакций при концентрации частиц 10²¹ м^–3 время удержания должно превышать 10 с; если концентрация равна 10²⁴ м^–3, то время удержания должно превышать 10^–2 с. Для реакции дейтерий–тритий при тех же концентрациях получаем значения времени удержания плазмы, превышающее соответственно 10^–1 и 10^–4 с.

Остановимся на конструкции магнитной ловушки ти-па «Огра», хотя бы потому, что она была построена в ИАЭ в конце 50-х гг. и именно на ней проводил исследования плазмы И.В.Курчатов в конце своей жизни. Эта установка относилась к типу адиабатических магнитных ловушек, что важно, в частности, потому, что при адиабатном сжатии плазмы происходит ее дополнительный разогрев (помимо разогрева за счет протекающего тока). Физика действия установки в главном сводится к следующему (рис. 5).

Рис. 5. Схема действия адиабатической магнитной ловушки

 При движении частицы в неоднородном магнитном поле вектор ее скорости может быть разложен на продольную и поперечную составляющие: Тогда кинетическая энергия частицы также может быть представлена в виде двух составляющих – для продольной и поперечной компонент скорости, т.е. В нашем случае будет выполняться условие: т.к. магнитное поле влияет только на горизонтальную составляющую скорости и соответственно только на связанную с ней составляющую кинетической энергии. У нас речь идет о стационарном магнитном поле, которое не меняет полной энергии частицы, значит, для областей I и II (рис. 5) выполняется условие:

Но в области II магнитное поле интенсивнее, чем в области I, значит, . Если (см. выше)  то

Тогда для горизонтальных компонент скорости и связанных с ней кинетических энергий должно выполняться обратное условие:

Можно подобрать такую неоднородность магнитного поля, при которой будет выполняться условие тогда из области II частица начнет обратное движение в область I, и области II с максимальной интенсивностью магнитного поля будут вести себя как магнитные зеркала. Тем самым будет решена проблема краевых охлаждений плазменного шнура на электродах, о которой упоминалось ранее. Нерешенной, однако, остается проблема устойчивости.

Надо сказать, что за годы, прошедшие с тех пор, многие недостатки токамаков были устранены, так что разработка магнитных ловушек типа «Огры» потеряла актуальность. В начале 90-х гг. было принято решение о строительстве на основе созданного в Институте атомной энергии Токамака-7 экспериментального термоядерного реактора. Этот проект финансируется несколькими странами.

* * *

За пультом «Огры» Игорь Васильевич Курчатов провел свой последний рабочий день – 6 февраля 1960 г., субботу. В воскресенье, 7 февраля, его не стало. Это случилось в подмосковном санатории «Барвиха», куда Курчатов приехал навестить своего коллегу академика Ю.Б.Харитона. Смерть от паралича сердца на скамейке барвихинского парка была мгновенной. Последнее слово, которое произнес Курчатов в беседе с Харитоном за несколько секунд до конца, было «понимаю»...

Что же осталось после его ухода? Остались его научные труды и созданный им институт, носящий ныне имя Курчатова. Осталась созданная крупная научная школа физиков-атомщиков, осталась благодарная память современников, которая должна быть сохранена их потомками. Это крайне важно, ибо в наших сегодняшних буднях образ ученого в силу многих причин порой предстает существенно отличным от того, каким был академик Курчатов в действительности. И в дни столетнего юбилея ученого невольно приходят на память строки Александра Твардовского, написанные через несколько лет после ухода Курчатова из жизни, в 1966 г. Не будучи обращенными непосредственно к его личности, они имеют самое прямое отношение к нам, вступившим в новый век, предостерегая нашу память от забвения того, что в нашей истории забвению не подлежит.

Есть имена и есть такие даты, –
Они нетленной сущности полны.
Мы в буднях перед ними виноваты, –
Не замолить по праздникам вины.
И славословья музыкою громкой
Не заглушить их памяти святой.
И в наших будут жить они потомках,
Что, может, нас оставят за чертой.