Чтобы получить энергию из атомного ядра, мало заставить его измениться. Нужно еще, чтобы результат оправдал затраты: если каждое превращение требует новой порции энергии извне, электростанции из такого опыта не получится. Именно это препятствие разделяло первые успехи ядерной физики и мечты об источнике энергии, способном заменить уголь.
Почему Резерфорд не верил в практическую атомную энергию
К началу 1930-х физики уже умели превращать одни атомные ядра в другие. В лаборатории Эрнеста Резерфорда Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон разгоняли протоны и направляли их на мишень из лития. Отдельные столкновения высвобождали энергию, однако установка в целом потребляла гораздо больше, чем давала. Добывать электричество таким способом было бессмысленно.
Резерфорд публично усомнился, что ядерную энергию вообще удастся использовать с коммерческой пользой. Осенью 1933 года сообщение о его выступлении прочитал венгерский физик Лео Силард, недавно перебравшийся из нацистской Германии в Лондон. Скепсис одного из главных авторитетов в физике задел его. Силард стал искать процесс, в котором само вещество обеспечивало бы продолжение реакции.
Как Силард придумал ядерную цепную реакцию
По позднему воспоминанию Силарда, решающая мысль пришла к нему 12 сентября на улице Саутгемптон-Роу. Он ждал у светофора, а когда загорелся зеленый и он начал переходить дорогу, представил себе нужную последовательность: ядро поглощает один нейтрон и выпускает два, те вызывают новые превращения, из которых появляются следующие нейтроны.
Эту возможность дало недавнее открытие нейтрона. Джеймс Чедвик обнаружил частицу годом ранее. У нейтрона нет электрического заряда, поэтому положительно заряженное ядро не отталкивает его так, как протон. Он мог стать посредником, который передает реакцию от одного ядра к следующему.
Такая цепочка способна поддерживать себя, если в каждом поколении достаточно нейтронов продолжает работу. Часть частиц неизбежно теряется: улетает из вещества или поглощается без нового превращения нужного типа. Если потери слишком велики, цепь обрывается. Энергия при этом берется из ядерных превращений; нейтроны лишь запускают их. Силард нашел принцип, который позволял обойти проблему постоянных затрат на обстрел мишени.
Деление урана и новые нейтроны
В лондонском озарении еще не было готового способа расщепить уран. Силард рассуждал об условной реакции с размножением нейтронов, и ее предстояло найти в опыте. Даже убедительная логика не гарантировала, что природа предоставит подходящий процесс.
Поворот произошел в конце 1938 года. Немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман обнаружили среди продуктов облучения урана барий — элемент гораздо легче исходного. Лиза Мейтнер и ее племянник Отто Фриш объяснили результат: тяжелое ядро может разделиться на две крупные части. При таком делении высвобождается значительная энергия.
Для цепной реакции требовалось проверить еще одно условие: выходят ли при делении новые нейтроны. Весной 1939 года Силард и Уолтер Зинн в Колумбийском университете зарегистрировали их испускание. Над той же задачей работали другие группы в США и Франции. Теперь идея получила экспериментальную опору, однако отдельные акты деления еще требовалось связать в устойчивый процесс. Ученым предстояло разобраться, куда уходят нейтроны и как уменьшить их потери.
Первый ядерный реактор: проверка идеи Силарда
2 декабря 1942 года команда Энрико Ферми, в которую входил Силард, получила самоподдерживающуюся управляемую реакцию в установке «Чикагская поленница-1». Ее собрали в помещении для игры в сквош под трибунами университетского стадиона. Успех определяли по приборам, регистрировавшим нейтроны: реакция продолжалась и поддавалась управлению.
Электричество эта установка не производила. Опыт доказал, что выделением ядерной энергии можно управлять. В будущих энергетических реакторах тепло от деления стали использовать для выработки электроэнергии. Тот же принцип размножения нейтронов лежит в основе атомного оружия, где энергия высвобождается за крайне короткое время.
Ранее Наука Mail рассказала, как в СССР запустили первый ядерный реактор.