В главе VI были кратко описаны устройство и работа первого котла с саморазвивающейся цепной реакцией. Хотя от изложения деталей приходится пока из соображений секретности воздержаться, приведенные ниже параграфы дают несколько более полное описание, основанное на докладе Ферми. Котел был построен Ферми и его сотрудниками осенью 1942 г.
ОПИСАНИЕ КОТЛА
Согласно первоначальному плану, котел должен был иметь приблизительно сферическую форму, причем наиболее чистые уран и графит нужно было размещать вблизи центра. Контрольные измерения показали, однако, что критические размеры были достигнуты раньше, чем была завершена запроектированная сфера, и, в соответствии с этим, конструкция была видоизменена. В окончательном виде котел представлял сплющенный сфероид, плоский в верхней части. Было необходимо расположить блоки урана или окиси урана на одинаковых друг от друга расстояниях в кубической решетке, внутри графита. Графит нарезался в виде кирпичей и складывался слоями, попеременно содержавшими и не содержавшими урановые блоки. Эти блоки располагались по углам квадратных плит графита. Критические размеры были достигнуты, когда котел был уложен до высоты лишь в три четверти той, которая казалась необходимой по самым осторожным расчетам. После этого был добавлен всего лишь один слой.
Применявшийся графит был преимущественно от фирм National Carbon Co. и Speer Graphite Co. Котел содержал 12 400 фунтов урана, который поставлялся фирмами Вестингауз, Metal Hydrides Co. и Эймс. Так как в решетке было значительно больше точек, чем имелось блоков металла, то свободные места были заполнены блоками прессованной окиси урана.
Для управления и выполнения экспериментов имелось десять каналов, пронизывающих весь котел. Три из них вблизи центра применялись для регулирующих и аварийных стержней. Для облегчения экспериментирования, в частности, для удаления образцов, один ряд графитовых кирпичей, несущих уран и проходящих вблизи центра, был уложен так, что его можно было целиком выдвигать из котла.
Графитовая сфера поддерживалась деревянным каркасом, установленным на настиле на утрамбованной площадке ниже Вест-Стэндса (Стэг Филд).
ОЖИДАЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ КОТЛА
Металлическая решетка в центре котла и две другие главные решетки, образующие основную конструкцию остальной части котла, были каждая в отдельности изучены в экспоненциальных экспериментах ##18, 27 и 29. Эти эксперименты дали для коэффициента размножения значение 1,07 для металлической решетки и 1,04 и 1,03 — для решеток из окиси. Причем различие двух последних величин было обусловлено различием сортов применявшегося графита. Необходимо помнить, что это — значения коэффициентов размножения для решеток неограниченных размеров. Предсказание действительного эффективного значения коэффициента размножения, kэфф для строящегося котла зависело от достоверности значения k, полученного из экспоненциальных экспериментов, от правильного усреднения для различных решеток и от правильности расчета kэфф из среднего значения k для системы бесконечных размеров. Хотя начальные проектные данные котла были умышленно превышены, его успешное действие, когда он был лишь частично закончен, показывало, что значения коэффициентов размножения, вычисленные из экспоненциальных экспериментов, оказались слишком малыми. Наблюдавшееся эффективное значение коэффициента размножения для фактически построенной части запроектированной установки было около 1,0006, когда все поглотители нейтронов были удалены.
ИЗМЕРЕНИЯ ПРИ СБОРКЕ КОТЛА
Для того, чтобы быть уверенными, что при сборке котла случайно не будут превзойдены критические размеры, непрерывно производились измерения нейтронной активности. Эти измерения служили также для изучения свойств размножения нейтронов и давали возможность предсказать, где будет достигнута критическая точка.
Для измерения интенсивности реакции можно применять любой детектор нейтронов или γ-лучей. Нейтронные детекторы лучше, так как они быстрее реагируют и не подвержены влиянию излучений продуктов деления после прекращения экспериментов. Нейтронные детекторы (счетчик с трехфтористым бором) и ионизационные камеры для измерения γ-лучей были расположены внутри и вокруг котла. Некоторые из ионизационных камер применялись для приведения в действие регистрирующих приборов и автоматических аварийных приспособлений.
В самом котле измерения производились с помощью детекторов двух типов. Счетчик с трехфтористым бором вставлялся в щель на расстоянии в 43" от основания; с этим счетчиком производились частые отсчеты. Кроме того, фольга из индия каждый вечер облучалась в положении, по возможности самом близком к эффективному центру котла, а индуцированная активность фольги измерялась на следующее утро и сравнивалась с отсчетами счетчика с BF3.
Результаты подобных измерений могут быть выражены двояким образом. Так как число вторичных нейтронов, образовавшихся в процессе деления, постоянно возрастает по мере того, как котел строится, то активность А, индуцированная в стандартной фольге индия в центре, будет постоянно возрастать с увеличением числа слоев котла. Как только эффективное значение коэффициента размножения превысит единицу, А будет возрастать теоретически до бесконечности. Это приближение к бесконечности трудно наблюдать, и поэтому применяется другой способ выражения результатов. Предположим, что промежутки решетки и чистота материалов графито-урановой конструкции таковы, что коэффициент размножения сферы бесконечных размеров был бы в точности равен единице. Тогда, для реальной сферы подобной же конструкции, но конечного радиуса, активация детектора, помещенного в центре, была бы пропорциональна квадрату радиуса. Оказалось возможным определить соответствующий эффективный радиус Rэфф для реального котла в каждой из стадий его сборки. Отсюда вытекало, что если бы коэффициент k∞ был точно равен единице в среднем для решетки в котле, то активность A детектора в центре возрастала бы с возрастанием Rэфф таким образом, что (Rэфф)2/A оставалось бы постоянным. Если бы k∞ для решетки было больше единицы, то при приближении
Рис. 7. Число законченных слоев
размеров котла к критическому значению, т. е. при приближении значения kэфф к единице, А должно было бы стремиться к бесконечности и, следовательно (Rэфф)2/A — стремиться к нулю. Экстраполируя кривую зависимости (Rэфф)2/A от размера котла, т. е. от числа слоев до точки ее пересечения с осью абсцисс, можно предсказать, в каком слое kэфф станет равным единице. Такая кривая, изображенная на рис. 7, показывает, в каком слое достигаются критические размеры. Менее удобный, но более прямой способ записи результатов изображен на рис. 8, который показывает рост активности нейтронов котла с увеличением числа слоев.
При сборке котла, значительно ранее достижения критического слоя, в соответствующие щели были вставлены кадмиевые полосы.
Рис. 8. Число законченных слоев
Они вынимались по одному разу в день, с надлежащими предосторожностями, чтобы не пропустить момента приближения к критическим условиям. Так производилась постройка котла, пока не был уложен критический слой.
УПРАВЛЕНИЕ
Управление реакцией достигалось вдвиганием в котел нескольких полосок из материала, поглощающего нейтроны, кадмия или бористой стали. Пока котел бездействовал, несколько таких полосок кадмия вставлялись в ряд щелей, что уменьшало эффективный коэффициент размножения до величины намного ниже единицы. Для доведения котла до условий ниже критических достаточно было лишь одной из кадмиевых полос. Кроме этих полос, которые могли применяться для ручного управления котлом, были предусмотрены еще два аварийных стержня и один стержень для автоматического управления. Стержень автоматического управления приводился в действие двумя электромоторами, реагирующими на воздействие ионизационной камеры и усилительной системы, так что при возрастании интенсивности реакции сверх желаемого уровня стержень вдвигался, и наоборот.
РАБОТА КОТЛА
Для пуска котла все кадмиевые полосы, кроме одной, удалялись. Оставшаяся полоса медленно выдвигалась наружу. По мере приближения к критическим условиям, интенсивность нейтронов внутри котла быстро возрастала. Следует, однако, заметить, что когда последняя полоса кадмия была внутри котла в положении, отвечающем эффективному значению коэффициента размножения, лишь немного меньшему единицы, требовалось много времени для того, чтобы интенсивность достигла насыщения. Аналогично, когда кадмиевая полоса была выдвинута наружу настолько, чтобы kэфф стало больше единицы, интенсивность возрастала довольно медленно. Так, если стержень был выдвинут на 1 см от критического положения, «время релаксации», т. е. время, необходимое для того, чтобы интенсивность удвоилась, составляло около четырех часов. Эти длинные «периоды релаксации» являются результатом наличия запаздывающих нейтронов (Приложение 3), что делает сравнительно легкой эксплоатацию котла при постоянном уровне интенсивности.
Котел впервые был пущен 2 декабря 1942 г., с максимальной мощностью в 1/2 W. 12 декабря интенсивность была доведена примерно до 200 W; повышать далее интенсивность считалось небезопасным для персонала внутри и снаружи здания. Во время работы при высокой интенсивности производились измерения излучения около котла, внутри здания и снаружи.