6.4. Критические и подкритические эксперименты

Подкритические эксперименты– эксперименты с внешним источником нейтронов. Позволяют изучать свойства сред, как с делящимися материалами, так и без них.

Экспоненциальные опыты.

Импульсный источник нейтронов.

Стационарный источник нейтронов

На основе экспоненциальных опытов можно оценить коэффициент размножения бесконечной среды из данного материала.

Критические эксперименты– эксперименты, в которых в системе достигается критическое состояние (нейтронная вспышка).

Критические и подкритические эксперименты проводятся для получения данных, необходимых для проектирования ядерных реакторов, разработки и проверки теоретических моделей. Данные эксперименты проводились и проводятся в настоящее во многих странах мира. Результаты экспериментов представленные в определенном формате собираются в специальной базе данных: IHECSBE– база данных по оцененным критическим экспериментам (benchmarks).

Ниже приведены примеры некоторых критических экспериментов.

А) Сфера из высокообогащенного урана (93%) (Леди Годива). Лос-Аламос (LANL).

1950-е годы.

Критика достигалась за счет движения полусфер навстречу друг другу.

Б) Сфера из высокообогащенного урана (90%) с отражателем. Саров (ВНИИЭФ).

1960-е годы.

1 – Нижняя урановая зона с графитовым отражателем

2 - Верхняя урановая зона с графитовым отражателем

3-6 – Суппорты и опоры

7 – Нейтронный источник

Критика достигалась за счет движения зон навстречу друг другу.

В) Системы из пластинчатых твэлов (SPERT-D) с водой в качестве замедлителя.

Оак Ридж (ORNL). 1960-е годы.

Критика достигалась за счет изменения уровня воды в баке.

Г) Системы из цилиндрических твэлов с молибденом и бериллием.

Обнинск (ФЭИ). 1980-е годы.

Сборка УКС (Универсальная Критическая Сборка)

6.5. Первый ядерный реактор.

Г.Д.Смит, Атомная энергия для военных целей, ТрансЖелДорИздат, 1946, 276 стр.

Официальный отчет о разработке атомной бомбы под наблюдением правительства США. Издание в США 12 августа 1945 г.

перевод под ред. Г.Н.Иванова. 30000 экз.

http://base13.glasnet.ru/text/aedvc/t.htm

Уникальная книга, в которой изложена история разработки атомной бомбы в США в период с 1939 по 1945 г. Подробно описаны проблемы, которые пришлось решить на пути освоения ядерных технологий. Популярно изложены теоретические и экспериментальные вопросы физики реакторов. По мнению многих работников атомной отрасли данная книга оказала большое влияние на формирование интереса молодежи к ядерных проблемам в 1950-е и 1960-е годы, являясь одной из немногих «популярных» книг на данную тему.

Приведем некоторые выдержки из данной книги, связанные с историей разработки первого ядерного реактора.

1939

26 января 1939 г. в Вашингтоне состоялась конференция по теоретической физики на которой Бор и Ферми обсуждали проблему деления, и, в частности, Ферми упомянул, что могут испускаться нейтроны. Хотя это было лишь догаткой, из нее с очевидностью вытекала возможность цепной реакции. По вопросу деления в печати был опубликован ряд сенсационных статей.

Повторение результатов и их опубликование в Physical Review от 15 февраля 1939 г. 30 января 1939 г. Ф. Жолио также опубликовал свои первые результаты.

Более сотни докладов и статей по делению за 1939 год !!!

В США создается «Консультативный комитет по урану». Доклад 1 ноября.

1940

В феврале 1940 г. небольшие количества коцентрированных фракций трех изотопов урана с массовыми числами 234, 235 и 238 были получены А.О.Ниром при помощи масс-спектрометра и переданы Э.Т.Буту, А.фон-Гроссе и Дж.Р.Данингу для исследования при помощи циклотрона Колумбийского университета. Эти ученые вскоре показали, что именно изотоп 235 способен делится под действием тепловых нейтронов.

В июне создается Исследовательский комитет национальной обороны. Выделяется субсидия на закупку материалов 6000$ 20 февраля. Первый контракт был заключен с Колумбийским университетов на проведение работ по дальнейшему измерению ядерных констант и на эксперименты с углеродом и ураном. Контракт NDCrc-32 был подписан 8 ноября 1940 г. на срок с 1 ноября 1940 по 1 ноября 1941 гг. Стоимость составляла 40000 $.

В июне 1940 г. вся работа по вопросам цепной реакции была сосредоточена в Колумбии под общим руководством Пеграма и при ближайшем участии Ферми и Сциларда.

1941

Лето. Расширение комитета: подкомитеты по разделению изотопов, по теоретичеческим вопросам, по вопросам производства энергии и тяжелой воды.

Замедление нейтронов в графите было исследовано путем изучения интенсивности активации различных детекторов (родий, индий, иод), расположенных различным образом внутри прямоугольной графитовой колонны, имеющей размеры 3*3*8 фунтов, когда в нее помещали источник нейтронов.

Определение числа нейтронов, испускаемых на один тепловой нейтрон, поглощенный уранов.

Эксперименты по гетерогенному расположению урана в графите. Поиск оптимальной решетки, измерение констант.

Теория «экспотенциальных» опытов – Ферми

Теория резонансного поглощения - Вигнер

Можно сказать, что общая теория цепной реакции для медленных нейтронов к концу 1941 г. была вполне ясна. Оставались неопределенными лишь числовые константы и технологические возможности.

Февраль – начало работ в Колумбии над возможными методами промышленного производства тяжелой воды. Каталитическая реакция обмена между газообразным водородом и жидкой водой.

В Норвегии работал завод по производству тяжелой воды с производительностью несколько кг/сут. Германское правительство заказало большие количества парафина с тяжелым водородом.

1942

Весна – перевод большинства членов группы по урановой проблеме в Чикаго. Руководитель работ Комптон принял решение по переводе в Чикаго Колумбийской и Пристонской групп.

9 марта 1942 г. доклад президенту о состоянии работ и предложение, чтобы в течении лета 1942 г. Военное министерство развернуло строительство промышленных установок.

18 июня 1942 г. полковник Дж.К.Маршалл (инженерные войска) получил указание от начальника Инженерной службы образовать новый округ инженерных войск для выполнения специальной работы (атомной бомбы). Этот округ был официально учрежден 13 августа и назван «Манхеттенский Округ». Работу, которую проводил этот «округ», была в целях секретности названа «Проект ДСМ» (Development of Substitute Materials – разработка замедляющих матермалов).

17 сентября 1942 г. военный министр возложил всю ответственность за военную деятельность по проекту ДСМ на бригадного генерала Л.Р.Гроувза (Инженерная служба).

Декабрь 1942 г. пуск первого реактора под стадионом Чикагского университета. Уран-графитовый «котел» с воздушным охлаждением и кадмиевыми регулирующими стержнями

1943

1 мая – передача Манхэттенскому округу контрактов на научно-исследовательские работы. Начало периода полного контроля Армии.

7 июня 1943 г. Начало работ по постройке первого Хэнфордского производственного котла. Одного из трех запланированных.

4 ноября 1943 года начало работы Клинтонского котла, прототипа промышленной установки, с мощностью 500-2000 кВт. Первая партия облученных урановых стержней поступила на разделительную установку 20 декабря 1943 г. К 1 марта 1944 г. было получены первые граммы плутония.