Відкрити головне меню

Чика́зька дрові́тня-1 (англ. Chicago Pile-1[1], CP-1) — перший у світі штучний ядерний реактор. Був побудований в 1942 році в Чиказькому університеті під керівництвом Енріко Фермі в рамках робіт, які пізніше стали основою Мангеттенського проекту (формальне здійснення Мангеттенського проекту почалось 17 вересня 1943 року), по експериментальній перевірці можливості здійснення керованої самопідтримуваної ланцюгової ядерної реакції і підготовки до створення промислових реакторів для виготовлення збройного плутонію[2].

Чиказька дровітня-1
Chicago Pile-1, CP-1 Stagg Field reactor.jpg
Тип реактора Графітово-повітряний
Призначення реактора експериментальний
Технічні характеристики
Паливо природний уран
Теплова потужність 200 ват
Розробка
Проект 1942
Наукова частина Чиказький університет
Підприємство-розробник Металургійна лабораторія Чиказького університету
Конструктор (керівник) Енріко Фермі
Новизна проекту перший ядерний реактор
Будівництво та експлуатація
Будівництво першого зразка 1942
Місцезнаходження Чиказький університет 41°47′32″ пн. ш. 87°36′03″ зх. д. / 41.79222° пн. ш. 87.60083° зх. д. / 41.79222; -87.60083
Перший пуск 2 грудня 1942

Зміст

КонструкціяРедагувати

Як паливо використовувався природний (незбагачений) уран у вигляді спресованих оксидів (близько 33 т UO2 і близько 3.7 т U3O8) і металічних злитків (загальною масою близько 5.6 т)[3]. Сповільнювачем був вибраний графіт виходячи з того, що це був єдиний матеріал необхідної чистоти, доступний у великих кількостях (в реакторі було використано близько 350 т).

Активна зона була виготовлена у вигляді пошарово укладених графітових блоків, укріплених дерев'яним каркасом. Блоки кожного другого шару мали порожнини, в які клалось ядерне паливо, утворюючи кубічну ґратку з кроком близько 21 см. Початкова форма активної зони мала бути наближено сферичною з радіусом близько 3.7 м, однак в процесі збірки стало очевидно, що критичний розмір може бути досягнутий при дещо менших розмірах, тому верхня частина сфери була «сплюснута», і загальна висота склала трохи менше 6 м.

Управління реакцією здійснювалось за допомогою механічного переміщення стержнів для поглинання нейтронів з кадмію і бористої сталі. Їх було три типи:

  • Регулюючі, що керувалися з пульту в ручному і автоматичному режимі.
  • Стержень аварійного захисту. У вийнятому стані підвішувався на мотузці, яку можна було перерубати у випадку непередбачуваних обставин — стержень падав в реактор і глушив його[4].
  • Стержень, що витягувався вручну («zip») для переведення реактора в критичний стан.

Максимальний коефіцієнт розмноження нейтронів[en] був лише ненабагато більшим від одиниці (1,0006)[джерело?], при цьому навіть при повністю витягнених поглинаючих стержнях потужність наростала досить повільно, подвоюючись приблизно кожну хвилину[5], що дозволяло легко підтримувати постійну потужність навіть при повністю ручному керуванні.

Реактор не мав системи охолодження і біологічного захисту, тому міг працювати лише короткочасно і на дуже малій потужності.

ІсторіяРедагувати

Для створення ядерної бомби необхідно було отримати достатню кількість ядерного матеріалу. Перспективними напрямками були визнані отримання урану-235 шляхом збагачення природного урану і виготовлення плутонію-239 шляхом опромінення природного урану-238 нейтронами. Обидва шляхи були пов'язані з серйозними складнощами і мали свої переваги і недоліки, тому робота по ним розвивалась паралельно.

Отримання плутонію потребувало величезних нейтронних потоків, які можна було б порівняно легко отримати лише в самопідтримуваній ланцюговій реакції. В 1939 р. Лео Сілардом і Фермі була висловлена ідея, що такої реакції можна досягнути шляхом вміщення ядер урану в матрицю сповільнювача[6]. Для дослідження реакторів на уран-графітових ґратках в 1941 р. в Чиказькому університеті була створена лабораторія з кодовою назвою «Металургійна», яку очолив Артур Комптон[7].

До складу лабораторії увійшло багато відомих фізиків і хіміків. Експериментальна група під керівництвом Фермі в основному займалась самою ланцюговою реакцією, хімічний відділ — хімією плутонію і методами розділення, теоретична група під керівництвом Вігнера — розробкою промислових реакторів, хоча через тісний взаємозв'язок науково-технічних питань задачі могли перерозподілятися між групами.

Розрахунок оптимальних параметрів майбутнього реактора потребував як точного визначення прикладних величин, як то коефіцієнт розмноження нейтронів, так і вимірювань характеристик конкретних взірців матеріалів, призначених для побудови реактора. З цією метою було створено кілька десятків підкритичних збірок з додатковими джерелами нейтронів. Оскільки металічний уран достатньої чистоти був отриманий лише в листопаді 1942 р., експерименти проводились із спресованим оксидом урану.

До липня експерименти на підкритичних збірках просунулись достатньо, щоб почати розробку реактора з критичною масою.

Вихідні оцінки критичного розміру активної зони були завершені, тому в конструкції реактора була передбачена оболонка, з якої можна було викачати повітря для зменшення поглинання нейтронів. Вона була виготовлена на заводі Goodyear по виробництву оболонок аеростатів (через секретність проекту її справжнє призначення було прихованим, що викликало масу жартів про «квадратну повітряну кулю»).

До листопада оболонка з однією відкритою стороною була підвішена над майданчиком, і збірка реактора почалась шляхом пошарової укладки графітових блоків і брикетів оксиду урану (дефіцитний металічний уран використовувався лише в центральній частині реактора). Кожен шар укріплювався дерев'яними брусами. Форма і розмір брусів змінювались з висотою, надаючи всій конструкції наближено сферичної форми. Дві групи «будівельників» (одна під керівництвом Уолтера Зіна (Walter H. Zinn), інша — Герберта Андерсона (Herbert L. Anderson)) працювали майже цілодобово. В. Уілсон (Volney C. Wilson) керував роботою з контрольно-вимірювальною апаратурою.

Більшість «будівельних матеріалів» виготовлялись безпосередньо на місці, в сусідніх приміщеннях. Порошкоподібний оксид урану пресувався в брикети на гідравлічному пресі. Графітові блоки випилювались з допомогою звичайних деревообробних верстатів. За спогадами самих учасників, через велику кількість утворюваного чорного пилу вони нагадували шахтарів після зміни.

Після укладки кожного шару поглинаючі стержні обережно виймались і проводились вимірювання нейтронних параметрів. Наприклад, приблизно на 50-му шарі з 75 запланованих стало зрозуміло, що критичність може бути досягнута навіть при дещо менших розмірах активної зони, ніж це передбачалось в початкових розрахунках. Відповідно, кількість і розміри наступних шарів були зменшені.

1 грудня вимірювання показали, що розмір реактора, який збирався, наближається до критичного. До кінця дня, після укладки 57-го шару, Зін і Андерсон провели серію вимірювань активності, і прийшли до висновку, що при витягуванні керуючих стержнів в реакторі зможе розвинутися самопідтримувана ядерна реакція. Однак було прийнято рішення відкласти всю подальшу роботу до наступного дня, коли Фермі та інші учасники з'являться на майданчику.

ЕкспериментРедагувати

 
Інтенсивність ядерної реакції в ході першого експерименту

2 грудня 1942 р. відбувся перший дослід по досягненню надкритичного стану з розвитком самопідтримуваної ланцюгової ядерної реакції.

В 9:35 стержень аварійного захисту був витягнений і почались обережні вимірювання залежності нейтронного потоку від положень регулюючих стержнів, поки що в підкритичному стані. Ближче до півдня спрацювала система аварійного захисту, яка виявилась встановленою на занадто низький рівень.

Після перерви на обід експеримент був продовжений. Запис інтенсивності нейтронного потоку з автоматичного реєстратора з підписами про положення стержнів вказана на рисунку. Різкі стрибки графіка викликані переключенням діапазонів чутливості. На початку видно характерне експоненціальне наближення до рівноважного рівня інтенсивності для кожного положення поглинаючого стержня в підкритичному стані реактора. Чим більше витягнутий стержень, тим ближче реактор до критичного стану, і, відповідно, вища рівноважна інтенсивність. В кінці, з 15:36 видно різкий спад інтенсивності — реактор був заглушений автоматичною системою.

Пікова потужність в цьому експерименті склала лише близько половини вата, однак сама можливість керованої самопідтримуваної реакції була переконливо продемонстрована.

 
«Ядерна енергія» — скульптура Генрі Мура, встановлена в 1967 році в університетському містечку Чиказького університету. З 1983 року Національний історичний пам'ятник США

12 грудня реактор пропрацював 35 хвилин на потужності близько 200 Вт. При цьому радіаційний фон становив 3 Р/год безпосередньо поблизу реактора і близько 360 мР/год в дальніх кутах залу.

Подальша доляРедагувати

В лютому 1943 р. реактор був розібраний, і його частини перевезені в майбутню Аргонську лабораторію, де вони були використані для збірки реактора CP-2.

Невеликі частини графіту з першого реактора виставлені в чиказькому Музеї науки та промисловості і Музей науки Бредбері Лос-Аламоської національної лабораторії.

Наукова стаття про реактор[3] була опублікована в American Journal of Physics лише через 10 років, в 1952 р. після зняття секретності. В 1955 р. Фермі і Сіларду був виданий патент США № 2708656 на «нейтронний реактор» (заявка була подана ще в 1944 р.).

Місце, на якому був побудований CP-1 внесено до списків історичних пам'яток США і м. Чикаго. В 1967 р., до 25 річниці здійснення першої ланцюгової ядерної реакції, на ньому встановлено пам'ятник «Ядерна енергія».

ПриміткиРедагувати

  1. Англійське слово «pile» означає «купа», «дровітня» (а також будь-яке «нагромадження»). Така назва була дана першому реактору через його доволі кустарну конструкцію. Однак, термін прижився і використовувався в англійській мові для позначення ядерних реакторів («atomic pile») аж до 1950-х років.
  2. Теоретичні викладки, підкріплені експериментами на підкритичних збірках, досить впевнено передбачали позитивний результат, тому розробка промислових реакторів почалась ще до завершення будівництва CP-1.
  3. а б Fermi, 1952
  4. Такий опис наведений в брошурі. Там само згадується, що як додатковий захід безпеки над реактором стояли три людини, готові у випадку відмови механічних систем залити реактор розчином солі кадмію. Тем не менше, стаття самого Фермі, яка є, за його словами, лише незначно переробленою версією оригінального звіту, описує електромагнітну підвіску аварійного стержня і про заливання замовчує. Слід відмітити, що реактор був зібраний з доволі щільно підігнаних блоків і повинен був працювати в герметично закритому чохлі, тому версія про ручне заливання виглядає не дуже правдоподібно.
  5. Настільки велика стала часу визначається внеском запізнілими нейтронами. Миттєвий коефіцієнт розмноження був меншим від одиниці.
  6. При поглинанні ядром урану нейтрона воно ділиться, випускаючи декілька вторинних нейтронів. Однак, ці вторинні нейтрони мають досить велику кінетичну енергію і не призводять до ефективного поділу інших ядер урану. Сповільнення вторинних нейтронів, наприклад, при зіткненні з якими-небудь легкими ядрами, дозволяє суттєво підвищити ефективність ланцюгової реакції.
  7. DOE, 1982

ЛітератураРедагувати