Под знаком кванта. полностью

Много хлопот доставил коэффициент φ — вероятность избежать резонансного захвата нейтронов в уране-238 в процессе их замедления. Если бы все нейтроны деления достигали тепловых энергий без потерь в уране-238, то коэффициент φ был бы равен единице. Как всякий идеал, значение φ=1 недостижимо, но можно пытаться к нему приблизиться. Способ увеличить коэффициент φ придумали почти сразу же, летом 1939 г.: во Франции, США и Германии независимо возникла идея гетерогенного реактора. Суть идеи проста и состоит в следующем: вместо того чтобы перемешивать равномерно уран и замедлитель, нужно разместить блоки урана в пространстве на некотором расстоянии друг от друга, наподобие атомов в кристаллической решетке, а затем уже заполнить этот объем замедлителем. В этом случае нейтроны деления, вылетая из блоков урана с энергией около 2 МэВ, большую часть пути будут проходить в замедлителе и к тому времени, когда они достигнут другого блока урана, уже минуют опасную резонансную область энергий. К тому же нейтроны деления, образовавшиеся в блоках урана с большой начальной энергией 2 МэВ, проходят его толщу, не успевая замедлиться до резонансных энергий, что еще более повышает эффективность такого гетерогенного реактора. (В работе Исая Исидоровича Гуревича и Исаака Яковлевича Померанчука, которая стала важным элементом советской урановой программы, это явление названо «блок-эффектом».) Должным образом подбирая расстояния между блоками урана, на этом пути достигли значения φ = 0,93 (для гомогенного реактора φ=0,65).

Коэффициент ϑ в «формуле четырех сомножителей» — это вероятность избежать захвата нейтрона в замедлителе и всевозможных примесях. Для чистого графита удалось повысить этот коэффициент до значения ϑ=0,84. Очень важно, чтобы графит был чистым: малейшая примесь, например, бора — всего 3 — 4 атома на миллион атомов углерода — делает его непригодным для замедлителя. (Сечение захвата нейтронов ядрами бора огромно: σ_захв = 755 барн, поэтому только при концентрации примеси примерно 10^-6 захватом нейтронов в боре можно пренебречь

по сравнению с захватом в углероде, для которого σ_захв =0,0034 барн.)

Таким образом, для уран-графитового гетерогенного реактора на естественном уране произведение четырех сомножителей

то есть цепная ядерная реакция в бесконечно большом реакторе возможна.

В реальном реакторе конечных размеров часть нейтронов теряется, уходя из объема реактора наружу через его поверхность, поэтому действительный коэффициент размножения нейтронов k меньше k_∞ и

k=k_∞ρ,

где коэффициент ρ зависит от размеров и формы реактора, но всегда меньше единицы. Очевидно, существуют какие-то критические размеры реактора, при которых произведение k = k_∞∙ρ =1. Оставалось выяснить, насколько велики эти размеры.

В декабре 1940 г. Ганс Халбан и Лео Коварски в Англии, куда они после оккупации Франции эмигрировали со всем запасом урана и тяжелой воды, установили, что для осуществления незатухающей ядерной реакции достаточно взять около 5 т тяжелой воды и разместить в ней должным образом примерно столько же тонн урана. К аналогичному выводу пришел и Гейзенберг в Германии. Однако такого количества тяжелой воды не было тогда во всем мире, и трудно было ожидать, что она появится в ближайшее время. Поэтому Ферми пытался определить критические размеры уран-графитового реактора и в течение последующих двух лет достиг цели.

Итак, ядерный реактор построить можно. Но можно ли им управлять? Не взорвется ли он, как только значение коэффициента размножения нейтронов k превысит единицу? Оказалось, что природа и здесь пошла навстречу человеку.

В лавине работ, которые появились сразу вслед за открытием деления урана, была одна, которую вначале не оценили должным образом. В марте 1939 г. Робертс, Мейер и Вонг из Колумбийского университета обнаружили, что примерно 1 % нейтронов вылетает при делении урана не вместе с осколками, а чуть позже — через 0,2, 0,9 и даже через 56 с. Физика этого явления вскоре стала понятной: запаздывающие нейтроны, в отличие от мгновенных, вылетают не из ядра урана, а из его осколков.