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.
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
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.
«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
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
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)
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)
01.07.2010 09:14+0400