«Чикагская поленница-1» ( англ. Chicago Pile-1 , CP-1 ) — первый в мире успешно работавший искусственный ядерный реактор . Был построен в 1942 году в Чикагском университете под руководством Энрико Ферми в рамках работ, позднее ставших основой Манхэттенского проекта (формальное осуществление Манхэттенского проекта началось 17 сентября 1943 года), по экспериментальной проверке возможности осуществления управляемой самоподдерживающейся цепной ядерной реакции и подготовки к созданию промышленных реакторов для наработки оружейного плутония .

Конструкция

В качестве топлива использовался природный (необогащённый) уран в виде прессованных оксидов (около 33 т UO ₂ и около 3,7 т U ₃ O ₈ ) и металлических слитков (общей массой около 5,6 т). Замедлителем был выбран графит исходя из того, что это был единственный материал необходимой чистоты, доступный в больших количествах (в реакторе было использовано около 350 т).

Активная зона была выполнена в виде послойно уложенных графитовых блоков, укреплённых деревянным каркасом. Блоки каждого второго слоя имели полости, в которые укладывалось ядерное топливо, образуя кубическую решётку с шагом около 21 см. Первоначально форма активной зоны задумывалась как приближённо сферическая с радиусом около 3,7 м, однако в процессе сборки стало очевидно, что критический размер может быть достигнут при несколько меньших размерах, поэтому верхняя часть сферы была «сплюснута», и общая высота составила чуть меньше 6 м.

Управление реакцией осуществлялось с помощью механического перемещения поглощающих нейтроны стержней из кадмия и бористой стали. Их было три типа:

• Регулирующие, управляемые с пульта в ручном и автоматическом режиме.
• Стержень аварийной защиты. В извлечённом состоянии подвешивался на верёвке, которую можно было перерубить в случае непредвиденных обстоятельств — стержень падал в реактор и глушил его.
• Стержень, вытаскиваемый вручную («zip») для приведения реактора в критическое состояние.

Максимальный коэффициент воспроизводства нейтронов был лишь немного больше единицы (1,0006), поэтому даже при полностью извлечённых поглотителях мощность нарастала довольно медленно, удваиваясь примерно каждую минуту , что позволяло легко поддерживать постоянную мощность даже при полностью ручном управлении.

Реактор не имел системы охлаждения и биологической защиты, поэтому мог работать лишь кратковременно и на очень маленькой мощности.

Предыстория

Для создания ядерной бомбы требовалось получить достаточные количества ядерного делящегося материала. Перспективными направлениями были признаны получение урана-235 путём обогащения природного урана и наработка плутония-239 путём облучения природного урана-238 нейтронами. Оба пути были связаны с серьёзными трудностями и имели свои преимущества и недостатки, поэтому работа по ним развивалась параллельно.

Получение плутония требовало огромных нейтронных потоков, которые можно было бы сравнительно легко получить лишь при самоподдерживающейся цепной ядерной реакции. В 1939 г. Лео Силардом и Ферми была высказана идея, что такой реакции можно достичь путём помещения ядер урана в матрицу замедлителя . Для исследования реакторов на уран-графитовых решётках в 1941 г. в Чикагском университете была создана лаборатория с кодовым названием « Металлургическая », которую возглавил Артур Комптон .

В состав лаборатории вошли многие известные физики и химики. Экспериментальная группа под руководством Ферми главным образом занималась самой цепной ядерной реакцией, химический отдел — химией плутония и методами разделения, теоретическая группа под руководством Вигнера — разработкой промышленных реакторов, хотя из-за тесной взаимосвязи научно-технических вопросов задачи могли перераспределяться между группами.

Расчёт оптимальных параметров будущего реактора требовал как точного определения прикладных величин вроде коэффициента размножения нейтронов , так и измерений характеристик конкретных образцов материалов, предназначенных для постройки реактора. Для этих целей было создано несколько десятков подкритических сборок с дополнительными источниками нейтронов. Поскольку металлический уран достаточной чистоты был получен только в ноябре 1942 г., эксперименты проводились с прессованным оксидом урана.

К июлю эксперименты на подкритических сборках продвинулись достаточно, чтобы начать разработку реактора с критической массой.

Исходные оценки критического размера активной зоны были завышены, поэтому в конструкции реактора была предусмотрена оболочка, из которой можно было бы откачать воздух для уменьшения поглощения нейтронов. Она была изготовлена на заводе Goodyear по производству оболочек аэростатов (из-за секретности проекта её истинное назначение было скрыто, что вызвало там массу шуток о «квадратном воздушном шаре»).

К ноябрю оболочка с одной открытой стороной была подвешена над площадкой, и сборка реактора началась путём послойной укладки графитовых блоков и брикетов оксида урана (дефицитный металлический уран использовался лишь в центральной части реактора). Каждый слой укреплялся деревянными брусьями. Форма и размер слоёв менялись с высотой, придавая всей конструкции приблизительно сферическую форму. Две группы «строителей» (одна под руководством Уолтера Зинна (Walter H. Zinn), другая — Герберта Андерсона (Herbert L. Anderson)) работали почти круглосуточно. В. Уилсон (Volney C. Wilson) руководил работой с контрольно-измерительной аппаратурой.

Большинство «строительных материалов» изготавливалось непосредственно на месте, в соседних помещениях. Порошкообразный оксид урана прессовался в брикеты на гидравлическом прессе. Графитовые блоки выпиливались с помощью обычных деревообрабатывающих станков. По воспоминаниям самих участников, из-за большого количества образующейся чёрной пыли они весьма походили на шахтёров после смены.

После укладки каждого слоя поглощающие стержни осторожно извлекались и проводились измерения нейтронных параметров. К примерно 50-му слою из 75 запланированных стало ясно, что критичность может быть достигнута даже при несколько меньших размерах активной зоны, чем предполагалось в начальных расчётах. Соответственно, количество и размеры последующих слоёв были уменьшены.

1 декабря измерения показали, что размер собираемого реактора приближается к критическому. К концу дня, после укладки 57-го слоя, Зинн и Андерсон провели серию измерений активности, которые привели их к выводу, что при извлечении управляющих стержней в реакторе сможет развиться самоподдерживающаяся ядерная реакция. Однако было решено отложить всю дальнейшую работу до следующего дня, когда Ферми и другие участники появятся на площадке.

Эксперимент

2 декабря 1942 г. состоялся первый опыт по достижению надкритического состояния с развитием самоподдерживающейся цепной ядерной реакции.

В 9:35 стержень аварийной защиты был извлечён, и начались осторожные измерения зависимости нейтронного потока от положений регулирующих стержней, пока ещё в подкритическом состоянии. Ближе к полудню сработала система аварийной защиты , оказавшаяся установленной на слишком низкий уровень.

После перерыва на обед эксперимент был продолжен. Запись интенсивности нейтронного потока с автоматического регистратора с подписями о положении стержней показана на рисунке. (Резкие скачки графика вызваны переключением диапазонов чувствительности.) В начале видно характерное экспоненциальное приближение к равновесному уровню интенсивности для каждого положения поглощающего стержня в подкритическом состоянии реактора. Чем больше извлечён стержень, тем ближе реактор к критическому состоянию, и, соответственно, выше равновесная интенсивность. В конце, с 15:36, отчётливо виден экспоненциальный рост интенсивности, соответствующий нарастающей цепной реакции в надкритическом реакторе. С 15:53 виден резкий спад интенсивности — реактор был заглушён автоматической системой.

Пиковая мощность в этом эксперименте составила лишь около половины ватта , однако сама возможность управляемой самоподдерживающейся реакции была убедительно продемонстрирована.

12 декабря реактор проработал 35 мин. на мощности около 200 Вт. При этом радиационный фон составлял 3 Р /ч непосредственно вблизи реактора и около 360 мР/ч в дальних углах зала.

Дальнейшая судьба

В феврале 1943 г. реактор был разобран, и его части перевезены в будущую Аргоннскую лабораторию , где они были использованы для сборки реактора CP-2.

Небольшие части графита из первого реактора выставлены в чикагском Музее науки и промышленности и Лос-Аламосской национальной лаборатории .

Научная статья о реакторе была опубликована в American Journal of Physics лишь спустя 10 лет, в 1952 г., после снятия секретности. В 1955 г. Ферми и Силарду был выдан патент США № 2708656 на «нейтронный реактор» (заявка была подана ещё в 1944 г.).

Место, на котором был построен CP-1, внесено в списки исторических достопримечательностей США и г. Чикаго. В 1967 г., к 25-й годовщине осуществления первой цепной ядерной реакции, на нём установлен памятник .

Примечания

Литература

• Enrico Fermi. (англ.) // American Journal of Physics. — 1952. — Vol. 20. — P. 536. (недоступная ссылка)
• . — U.S. Department of Energy, 1982. от 16 октября 2011 на Wayback Machine

См. также

• Ф-1 — первый атомный реактор в СССР и Европе, 1946 г.