Изобретение ядерного реактора было одним из определяющих моментов 20-го века. Рассвет атомной эры, возможно, начался с взрыва первого ядерного оружия, но семена этого момента и последовавших за ним огромных социально-политических изменений были посеяны за много лет до этого такими учеными, как Энрико Ферми.
Действительно, Ферми, итальянский физик, работавший в то время в Америке ключевой фигурой в Манхэттенском проекте, совершил свой жизненно важный прорыв в 1942 году, осуществив первую искусственную цепную ядерную реакцию на корте для сквоша в Чикагском университете. Реактор Ферми был решающим испытанием, которое позволило продвинуть Манхэттенский проект, что привело к испытанию Тринити (первый взрыв ядерного оружия в Нью-Мексико) три года спустя и, конечно же, к последующим бомбардировкам Хиросимы и Нагасаки.
Юный гений
Энрико Ферми родился в Риме в 1901 году. Интерес к физике и математике пробудился у него в раннем подростковом возрасте, когда он нашел старую 900-страничную книгу, в которой были представлены математика, классическая механика, астрономия, оптика и акустика в том виде, в каком они понимались во времена его 1840 года. Это растущее увлечение заметил друг его отца, Адольфо Амидей, который достаточно разбирался в науке, чтобы признать гениальность мальчика. Амидей назвал Ферми «вундеркиндом, по крайней мере, в отношении геометрии» и взял на себя задачу развивать интеллект Ферми, предлагая наставничество и множество книг.
Ожидания Амидея быстро оправдались. Ферми окончил среднюю школу в июле 1918 года, полностью пропустив третий год обучения, и получил стипендию Scuola Normale Superiore в Пизе. Получив laurea (степень доктора) в необычно юном возрасте 20 лет, Ферми начал головокружительную академическую карьеру. В 1926 году он открыл статистические законы (сегодня известные как «статистика Ферми»), управляющие частицами, на которые распространяется принцип запрета Паули (теперь известные как фермионы). Через год он был избран профессором теоретической физики Римского университета.
К концу его пребывания в Риме его новаторское исследование атомного ядра привело к ряду важных прорывов, не в последнюю очередь к его предложению 1934 года о том, что нейтроны (которые были открыты Джеймсом Чедвиком двумя годами ранее) могут быть использованы для расщепления атомов. В 1938 году Ферми, которому было всего 37 лет, получил Нобелевскую премию по физике за «демонстрацию существования новых радиоактивных элементов, образующихся при облучении нейтронами, и связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами».
Побег из фашистской Италии
Получение Нобелевской премии — достаточно важный момент в жизни любого человека, но в истории Энрико Ферми он приобрел особое значение. Когда он был награжден премией в 1938 году, на пороге Второй мировой войны, режим Бенито Муссолини ограничил поездки для итальянцев, чья работа считалась жизненно важной для национальной безопасности. Но награда Ферми была настолько важна, что ему разрешили посетить Швецию, чтобы получить свой приз.
Будучи членом фашистской партии, Ферми разочаровался к 1938 году и открыто критиковал расовые реформы, введенные в том же году. К тому же жена Ферми Лаура была еврейкой и, вероятно, подвергалась преследованиям. Получив возможность поехать в Швецию, он взял с собой Лауру и их двоих детей. Они так и не вернулись.
Получив Нобелевскую премию в Стокгольме, Швеция, Ферми и его семья отправились в Нью-Йорк, где ему сразу же предложили должности в пяти университетах. Он согласился на работу в Колумбийском университете и продолжил изучение нейтронов. Но это было напряженное время для всех, кто работал в области атомной физики. Едва успев освоиться в своей новой жизни, Ферми был потрясен новостями из Германии. В начале 1939 года Отто Ган и Фриц Штрассман обнаружили элемент барий после бомбардировки урана нейтронами, что свидетельствовало о возможности ядерного деления.
В какой-то степени это открытие смутило Ферми, который три года назад отверг возможность деления, но он быстро осознал важность открытия и его огромные последствия. Движимый потенциальной реализацией управляемой цепной ядерной реакции, он начал работу над серией экспериментов, которые привели к созданию первого ядерного реактора.
Ферми также быстро осознал потенциальное военное применение открытия немецких химиков и выразил свою обеспокоенность в лекции в военно-морском ведомстве 18 марта 1939 года. Несколько месяцев спустя он подписал письмо (вместе с Альбертом Эйнштейном, Эдвардом Теллером и и Юджин Вигнер), написанный физиком Лео Силардом и адресованный президенту Франклину Д. Рузвельту. В письме предупреждалось, что Германия может разработать атомную бомбу, и предлагалось, чтобы Соединенные Штаты начали свою собственную ядерную программу.
Архитектор ядерного века
В феврале 1940 года ВМС США предоставили Колумбийскому университету финансирование в размере 6000 долларов, большую часть которого Ферми и Сцилард потратили на покупку графита для строительства реактора, который, как они надеялись, мог подтвердить работу Гана и Штрассмана.
Последовали два года экспериментов, в результате которых расходы составили значительно более 6000 долларов и повлекли за собой строительство многочисленных «атомных котлов», но так продолжалось до создания «Чикагской сваи-1» на Стэгг-Филд, почти неиспользуемом поле для американского футбола на окраине Чикаго, что Ферми, наконец, осуществил цепную ядерную реакцию.
Ферми и его команда остановились на месте — пространстве под трибунами стадиона «Стэгг Филд», которое лишь изредка использовалось как площадка для сквоша и гандбола, — потому что, в отличие от большинства объектов, принадлежащих университету, оно находилось на окраине Чикаго. Они стремились избежать риска строительства работающего реактора в населенном пункте.
Ферми руководил строительством реактора, состоящего из урана и оксида урана в кубической решетке, встроенной в графит. Эта конструкция была заключена в 8-метровый кубический воздушный шар, чтобы воздух внутри мог быть заменен углекислым газом. Учитывая масштабы проекта, это была довольно импровизированная строительная работа, выполненная с помощью 30 бросивших школу подростков, которые стремились заработать немного денег, прежде чем их призвали в армию.
Критический момент наступил 2 декабря 1942 года. В то утро эксперимент протекал в обычном режиме – из котла один за другим извлекались регулирующие стержни, получая обнадеживающие результаты от счетчика Гейгера… Пока работа не была внезапно остановлена. Стержень автоматического управления снова сел из-за слишком низкого уровня срабатывания. На пороге исторического прорыва Ферми решил объявить перерыв на обед.
Эксперимент возобновился после обеда, и вскоре был подтвержден заманчивый обнадеживающий прогресс: реактор Ферми достиг критичности, и история изменилась навсегда. Команда открыла бутылку Кьянти и отпраздновала свой прорыв бумажными стаканчиками.