Докладная записка Я.И. Френкеля И.В. Курчатову о содержании беседы с Ф. Жолио-Кюри
В беседе со мной проф. Жолио сообщил мне следующие данные о методе приготовления атомных бомб, использованном американцами.
Вместо того чтобы выделять легкий изотоп урана, оказалось проще и практичней изготовлять U239 путем облучения обычного урана нейтронами. Существенную роль при изготовлении этого изотопа играют тяжелая вода и графит (особого сорта).
Начало взрыва осуществляется благодаря спонтанному распаду урана. В процессе изготовления бомбы утилизируется, в качестве отхода, энергия, выделяемая ураном, используемая для машин мощностью в 15 тысяч л. с.
Я счел неудобным выспрашивать у Жолио подробности, так как полагал, что он сам подробно изложит все, что ему известно, в порядке осуществления помощи, которую он предлагал оказать советским физикам, занимающимся проблемой урана, — в виде консультаций или совместной работы.
Так как разрешение вопроса о привлечении Жолио задержалось, то я считаю своевременным изложить вкратце те представления и соображения, которые возникли у меня в связи с краткими сведениями, полученными от Жолио, а также отчасти и сообщениями иностранной прессы и радио.3
1. В результате бомбардировки урана (U238) нейтронами возникает сначала изотоп U239, который затем путем двукратной эмиссии электронов превращается в трансурановые элементы нептуний № 93 и плутоний № 94. Последний является, по-видимому, устойчивым по отношению к (3-превращению, но неустойчивым по отношению к делению в гораздо большей степени, чем легкий изотоп урана, распадаясь как спонтанно с не очень большим полупериодом, так и под влиянием нейтронов.
Таким образом, плутоний может с успехом заменить легкий изотоп урана (если его деление сопровождается эмиссией вторичных нейтронов). Если при этом эффективное сечение плутония для нейтронов значительно больше, чем у U235, то реакция цепного взрыва может развиваться в нем при относительно небольших размерах, начинаясь спонтанным образом.
2. Для того чтобы при изготовлении плутония последний не взрывался, он должен облучаться нейтронами в достаточно диспергированном состоянии. В качестве дисперсной среды, по-видимому, применяется графит (особого сорта, определяемого, вероятно, благоприятными условиями диффузии урана или плутония и тепловыми свойствами).
3. Теплота, выделяющаяся при захвате нейтронов диспергированными атомами урана (или, вернее, при последующем испускании ими бета- и гамма-лучей), нагревает графит до не слишком высоких температур (вероятно, ниже 1 000°) и6 используется, по-видимому, в «урановых двигателях» для частичной рекуперации энергии, затрачиваемой, при получении нейтронов, в генераторе, питающем циклотрон.
4. Часть нейтронов должна захватываться атомами углерода. Представляется, однако, вероятным, что эффективное сечение для этого процесса несравненно меньше, чем для процесса захвата нейтронов атомами урана; поэтому, несмотря на относительно небольшое количество их в графите, поглощение нейтронов может происходить преимущественно в атомах урана.
5. Источником нейтронов служит, несомненно, тяжелый водород — как это явствует из громадной роли, играемой в процессе изготовления атомных бомб тяжелой водой. Нейтроны возникают при бомбардировке быстрыми дейтонами (из циклотрона) тяжелого водорода, быть может, растворенного в том же графите, что и уран.
6. Полученный в диспергированном состоянии плутоний концентрируется путем коагуляции, причем эта концентрация должна приводить к его взрыву. Таким образом, эта концентрация должна осуществляться в самой бомбе непосредственно перед ее взрывом.
7. Я думаю, что концентрированный плутоний играет в атомной бомбе роль детонатора, тогда как основным взрывчатым веществом является обыкновенный уран (быть может, даже в виде окиси урана). При этом механизм взрыва совершенно сходен со взрывом обыкновенного устойчивого взрывчатого вещества (как, напр., тол или динамит) под влиянием взрыва какого-нибудь инициирующего ВВ (напр., гремучей ртути или азида свинца). Разница между ними сводится, как известно, к малости энергии активации в последнем случае по сравнению с первым. По той же причине концентрированный плутоний играет роль инициирующего вещества по отношению к обыкновенному урану.
8. Эта аналогия предполагает, что взрыв урана в атомной бомбе, инициированной спонтанно начинающимся цепным взрывом относительно небольшого количества плутония, имеет не цепной, а чисто тепловой характер.
Так как при этом энергии — как активации, так и реакции — примерно в миллион раз выше, чем у обыкновенных ВВ, то и температура, развивающаяся при взрыве урана, должна быть примерно во столько раз больше, т.е. достигать нескольких миллиардов градусов. Этот вывод подкрепляется расчетом температуры, соответствующей кинетической энергии, с которой разлетаются продукты деления урана, с учетом полного срыва их электронных оболочек и равномерного распределения энергии между этими электронами и ядрами.
Таким образом, дальнейшее деление ядер урана обуславливается уже не только и не столько5 резонансными нейтронами, освобождающимися при предыдущих процессах деления, сколько столкновениями с основными продуктами этого деления и электронами в возникающем электронном газе с температурой порядка миллиардов градусов.
9. Если изложенная схема правильна, то представляется вполне возможной замена урана, в качестве основного взрывчатого вещества, более распространенными элементами, напр., висмутом или свинцом, для которых реакция деления (на приблизительно одинаковые дочерние ядра) является экзотермич- ной, отличаясь лишь более высокой энергией активации. Существует указание (Phys. Rev., 1944 г.), что в случае свинца последняя равна 16 миллионам вольт. Наиболее выгодным детонатором должен оставаться во всех случаях плутоний (хотя его и можно было бы, в принципе, заменить легким изотопом урана).
10. Представляется интересным использовать высокие — миллиардные — температуры, развивающиеся при взрыве атомной бомбы, для проведения синтетических реакций (напр., образование гелия из водорода), которые являются источником энергии звезд и которые могли бы еще более повысить энергию, освобождаемую при взрыве основного вещества (уран, висмут, свинец).
Чл.-кор. АН Я. Френкель