Национальный совет по оборонным исследованиям испытывал трудности с заключением промышленных контрактов, необходимых для развития вооружения, а также вступил в бюрократический конфликт с Национальной академией наук и даже с правительством страны, которому приходилось чрезвычайно дипломатично общаться со странами-союзниками, особенно в том, что касалось атомной бомбы. Чтобы решить все возникшие проблемы, Рузвельт создал Управление научных исследований и развития под своим непосредственным руководством и назначил его директором Буша Вэнивера, который до этого стоял во главе Национального совета по оборонным исследованиям. Буш, следуя рекомендациям своего преемника на прежнем посту Джеймса Конанта, отправил Ферми 19 августа 1941 года письмо, в котором приглашал ученого стать консультантом комиссии по урану, в частности заняться теоретическими аспектами в специальной группе по развитию ядерного реактора.
Японская атака на Перл-Харбор 7 декабря 1941 года подтолкнула США к вступлению в войну против группы союзников — Японии, Германии и Италии. Разработка атомной бомбы пошла быстрее. Исследования развивались по линии и плутония-239, и урана-235, при этом учитывалась возможность продолжения конструирования ядерных реакторов: согласно данным британской разведки, немецкие ученые испытывали к ним особый интерес.
Любопытно, что за день до атаки на Перл-Харбор Вэнивер Буш, уже будучи директором Управления научных исследований и развития, распределил обязанности по изучению ядерного потенциала следующим образом.
Для создания бомбы необходимо было иметь достаточное количество плутония или урана-235. Эрнест Лоуренс использовал электромагнитный метод обогащения урана, разработанный Фрэнсисом Астоном в 1919 году. Метод состоял в том, чтобы создать пучок частиц с ураном в газообразном состоянии. Частицы ускорялись при помощи электрического поля, а потом входили в область воздействия магнитного поля, искривляющего ось так, что оси каждого изотопа урана разделялись и разделялся сам уран-235.
РИС. 1
Разряд калютрона α-1.
Лоуренс разобрал часть своего циклотрона, чтобы сконструировать аппарат, который он назвал калютроном — от слов «Калифорния» и «циклотрон» (рисунок 1). Метод газовой диффузии (рисунок 2), разработанный Гарольдом Юри и Джоном Даннингом в Колумбийском университете, был основан на том, что молекулы в газовых соединениях урана (например, гексафторид урана, UF6), проходя через тончайшие фильтры, делают это с разной скоростью в зависимости от атомной массы изотопа. Уран-235, более легкий по сравнению с ураном-238 и другими изотопами, проходит быстрее, и его можно отделить с помощью центрифугирования.
РИС . 2
Лоуренс в Калифорнийском университете должен был руководить исследованиями по обогащению урана электромагнитными методами в циклотроне; Гарольд Юри в Колумбийском университете был ответственным за улучшение процессов обогащения по газодиффузионной технологии; Эгер Мерфри, директор по исследованиям компании Standard Oil, должен был заниматься в Нью-Джерси промышленным обогащением урана путем центрифугирования; наконец, на Артура Комптона в Чикаго было возложено руководство исследованиями в области теоретической физики, а также проектированием и созданием бомбы. Параметр спонтанной делимости — это вероятность спонтанного деления атома за единицу времени без какого-либо внешнего воздействия. Параметр делимости плутония-239 очень высок по сравнению с ураном-235, поэтому с плутонием-239 проще получить сверхкритическую систему, чем с ураном-235. Однако плутоний был получен искусственно, и необходимая технология его производства была развита недостаточно, поэтому власти США считали, что проще идти по пути обогащения урана.
Сначала ни плутоний, ни работы Ферми не были в числе приоритетов американского правительства. К счастью, ученый нашел в Комптоне искреннего сторонника; дружба с семьей Юри, которая приняла Ферми в Колумбийском университете и ввела его с женой в местное общество, а также контакты с группой Лоуренса помогли ученому собрать воедино кусочки атомной мозаики. В Колумбийском университете Ферми поставил источник нейтронов радия и бериллия в диффузорное устройство, содержащее графит, оксид урана и другие материалы, такие как сталь, чтобы наблюдать за особенностями размножения нейтронов. Коэффициент k∞ показывает количество тепловых нейтронов, которые переходят из одной реакции к другой, поэтому теоретически для непрерывной цепной реакции он должен иметь значение k∞ ≥ 1.
В идеальных условиях для атомного реактора:
— если k∞ = 1, возникают критические условия, то есть самоподдерживающаяся цепная реакция (как на современных атомных станциях);
— если k∞ < 1, возникают подкритические условия, и ядерный реактор остановится;
— если k∞ > 1, возникают надкритические условия, которые могут привести к взрыву.
Обычно коэффициент размножения к. определяют как произведение четырех величин
k∞ = η · f · ε · р, где:
— η — коэффициент размножения, который показывает количество нейтронов, полученных в среднем на каждый тепловой нейтрон, захваченный ядерным топливом (обычно ураном-235 и -238). В случае с природным ураном он равен примерно 1,3;
— f — коэффициент использования тепловых нейтронов, который показывает вероятность того, что захват нейтронов произойдет в замедлителе или в структурных элементах, а не в топливе (уране). Обычно имеет значение 0,9;
— ε — коэффициент быстрого деления, который показывает вероятность того, что быстрые нейтроны спровоцируют деление. В реакторах с ураном в качестве топлива это привело бы, например, к делению урана-238; в этом случае значение коэффициента было бы равно 1,03;
— р — показывает вероятность того, что нейтроны избегут резонансного захвата. С графитом в качестве замедлителя его значение равно 0,9.
В идеальном случае при k∞ = 1 произойдет самоподдерживающаяся реакция без использования внешнего источника нейтронов. В реальных системах обычно коэффициент размножения нейтронов kef определяется как произведение бесконечного коэффициента размножения k∞ идеальной системы на вероятность Р того, что нейтрон ускользнет от системы размножения реактора:
kef = P · k∞
Это значение коэффициента, которое учитывает потерю нейтронов в реакторе, подразумевает, что на практике можно иметь k∞ > 1 и сохранять подкритические условия. Критическая масса — это количество ядерного топлива, которое при определенных условиях делает цепную реакцию самоподдерживающейся. Критическая масса зависит от геометрии реактора, а также от состава и уровня чистоты ядерного топлива. Если потеря нейтронов сокращается, то критическая масса может быть уменьшена. С другой стороны, нейтроны характеризуются временной постоянной т, которая соответствует времени, необходимому для торможения (примерно 10-6 с), и времени рассеяния перед поглощением (порядка 10-3 с). Таким образом, если N0 — изначальное количество нейтронов, то с течением времени их количество будет соответствовать выражению, зависящему от k∞.