Яндекс.Метрика

    Научно популярное

    Начало атомной эры. Godiva Device

    Физики-ядерщики из Национальной лаборатории Лос-Аламоса были людьми не только талантливыми, но и по-своему поэтичными. Роберт Оппенгеймер, вдохновленный стихотворением английского поэта XVII века, дал кодовое имя для первого в истории испытания ядерного оружия — Trinity (Троица). Бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки, а позднее — на атолл Бикини, имели собственные имена. Наконец, именем леди Годивы, жены герцога Леофрика из Ковентри, было названо устройство для проведения экспериментов с критическим состоянием радиоактивного вещества.



    Леди Годива, согласно легенде, проехала по улицам города обнаженной для того, чтобы ее муж снизил налоги для своих подданных. Правдива ли эта легенда или нет — неизвестно, но с тех пор ее имя стало символом одновременно смелости и открытости, беззащитности.

    Техническая зона TA-18


    После трагических событий с Дьявольским ядром эксперименты с критическими состояниями стали проводиться с помощью дистанционно управляемых устройств. Зачем вообще было играть с огнем или, по выражению Фейнмана, «щекотать хвост дракона»? Во-первых, изучалось поведение самого вещества, а во-вторых, попутно различные образцы, материалы и лабораторные животные облучались мощным потоком нейтронов и гамма-лучей.


    Общий вид зоны TA-18, выделено здание Kiva 1 — «дом Годивы»

    Для этих целей использовалась техническая зона TA-18 — комплекс из нескольких зданий, расположенных в 6 километрах к юго-востоку от Лос-Аламоса. TA-18 успешно функционировала до конца 2006 г., в ней были собрано множество устройств различной конструкции и одновременно проводилось до сотни различных экспериментальных программ. В декабре 2006 г. последние четыре машины были разобраны и перемещены на хранение в другую техническую зону. «Боевой листок» Лос-Аламоса (LANL Newsletter) торжественно заявил о конце эры критических экспериментов и сравнил машины с драгоценными ретро-автомобилями, отправленными на хранение в музей-гараж. Но мы забегаем вперед.


    Демонтаж Flattop, одного из четырех импульсных реакторов, перед отправкой на хранение

    Человек с топором


    При экспериментах с критическими состояниями важно было вовремя остановиться. Неконтролируемое развитие цепной реакции могло привести к настоящему ядерному взрыву. Еще в 1942 г. при создании первого ядерного реактора в Чикаго использовались кадмиевые управляющие стержни (safety rods). Кадмий поглощает нейтроны, и в случае «экстренного торможения» реактора необходимо было быстро ввести стержни в активную зону. За это отвечал специально обученный человек с топором наготове (axe man). Аварийные стержни были подвешены на веревках, которые в нужный момент перерубались топором. Вся система «человек-топор-веревка-стержень» получила название SCRAM — safety control rod axe man. По-английски scram также означает «поспешное бегство». Термин в дальнейшем стал частью профессионального англоязычного сленга ученых-ядерщиков, в русском же языке подобного термина нет, есть просто «аварийная защита».

    Итак, возвращаясь к критическим устройствам — по сути, это были те же примитивные ядерные реакторы, в которых цепная реакция не поддерживалась постоянно, а запускалась на короткий промежуток времени. Позже класс подобных устройств получил название «импульсные реакторы». Предшественницей Годивы была машина под названием Jamima, и она была спроектирована таким образом, чтобы в случае аварии самостоятельно «поспешно убежать» от лавины цепной реакции. Состояла она из двух наборов урановых дисков: одна пачка была закреплена неподвижно, а вторая поднималась к ней, формируя общую массу радиоактивного вещества, близкую к критической. 18 апреля 1952 года из-за неправильных расчетов в устройство «зарядили» лишнее количество дисков, и машина вошла в критическое состояние. Однако взрыва не произошло. Выделившаяся энергия отбросила нижнюю пачку дисков от верхней, после чего цепная реакция автоматически прекратилась.

    Отто Фриш и Годива Первая





    «Крестным отцом» Годивы можно считать профессора Отто Фриша. Список его заслуг обширен: это работы по изучению поведения нейтронов, расчеты энергии деления ядер урана и оценка критической массы урана, необходимой для осуществления ядерного взрыва. Он был одним из ключевых физиков, участвующих в Манхэттенском проекте. Имя прекрасной леди пришло ему на ум, так как вся конструкция, на его взгляд, была «обнаженной и неприкрытой».

    Однако внешне устройство больше напоминало двухметровый механистический скелет с «атомным сердцем» внутри. Такая конструкция была выбрана для минимизации отражения нейтронов, что могло привести к выходу цепной реакции из-под контроля.



    «Сердце» Годивы — это шар из обогащенного (93.7%) урана-235 диаметром около 17 сантиметров и общей массой 53 килограмма, разделенный на три части. Для сравнения, масса уранового заряда «Малыша», сброшенного на Хиросиму, составляла 64,1 килограмма. Для «тонкой настройки» на поверхности шара были сделаны 14 выемок, в которые вкладывались небольшие урановые диски массой от 50 до 100 граммов.

    При экспериментах части шара соединялись вместе, и внутрь него через верхнюю трубу быстро вводился урановый стержень, запуская цепную реакцию. Этот этап осуществлялся дистанционно, однако обслуживание Годивы и, в частности, добавление урановых дисков, производилось вручную.

    Несмотря на существенный шаг вперед по сравнению с экспериментами 40-х годов, проводившихся практически голыми руками, новые критические устройства оставались чрезвычайно опасными. В один из дней 1954 г. Фриш едва не погиб: он находился рядом с собранным «сердцем» Годивы. Человеческое тело отражает намного меньше нейтронов, нежели карбид вольфрама или бериллий, но и их небольшого количества хватило для того, чтобы цепная реакция началась. Фриш заметил это по свету индикаторной лампы и успел среагировать, отскочив от шара и разъединив его на части. Секундное промедление привело бы к его смерти.



    Эксперименты продолжались до 12 февраля 1957 г., когда Годива вошла в критическое состояние. На этот раз, как и в случае с Джемимой, устройство автоматически отключилось. Но энергия цепной реакции серьезно повредила металлический каркас, и Годива была признана непригодной для ремонта. Персонал, проводивший эксперимент, находился в защищенной зоне, никто из ученых не пострадал. За время своей жизни Годива произвела около тысячи нейтронных импульсов.


    Оплавленные детали Годивы после инцидента. Слева — урановый стержень, запускающий реакцию

    Годива Вторая


    На замену Годиве в 1957 г. было построено новое устройство — Godiva II, Годива Вторая. По конструкции и принципу работы была похожа на свою предшественницу. Но, как ни парадоксально это звучит, она была намного лучше защищена. Для нее было оборудовано отдельное здание с бетонными стенами в полметра толщиной, также с собственным именем — Кива (Kiva), в честь ритуальных сооружений древних индейцев.



    Вместо шара теперь использовался урановый цилиндр с вырезом, в который снизу вставлялся цилиндр меньшего диаметра (так называемый safety block). Общая масса урана была увеличена до 57 килограммов. Запускающий стержень вводился в один из трех каналов, просверленных в основном цилиндре, другие два были предназначены для управляющих стержней. Кроме того, в основном цилиндре был просверлен поперечный канал, предназначенный для облучаемых образцов и материалов. Активная зона была окружена металлической сеткой. Она не позволяла приблизить к цилиндру какой-либо предмет, отражающий нейтроны, и случайно запустить цепную реакцию, как это случилось с Отто Фришем.



    Машина управлялась полностью дистанционно, не было необходимости вручную подкладывать урановые диски, как в Годиве Первой, регулировка массы осуществлялась управляющими стержнями. Предусмотрена также система охлаждения — каждый импульс сильно нагревал урановые цилиндры. Положение запускающего стержня выверялось заранее с точностью до десятых долей миллиметра, а весь эксперимент длился около 40 миллисекунд. Вместо человека с топором здесь использовались датчики уровня радиации, включавшие в нужный момент пневматическую систему, которая опускала внутренний цилиндр и останавливала реакцию.

    Позднее были построены и другие «сестры» Годивы, и более сложные конструкции с мощностью импульсов на несколько порядков большей, чем у первых устройств. Последняя машина, Godiva IV, успешно проработала более 30 лет.


    «Конец эры»: специалисты LANL готовятся к демонтажу Годивы Четвертой

    Ссылки


    Godiva Device в Википедии
    Applications of Godiva II Neutron Pulses (PDF)
    Лукин А. В. Физика импульсных ядерных реакторов (PDF)
    Los Alamos Critical Assemblies Facility (PDF)
    A Review of Criticality Accidents: 2000 Revision (PDF)
    LANL Newsletter, Nov. 21, 2005 (PDF)
    LANL Newsletter, Dec. 4, 2006 (PDF)