Демоническое ядро: два инцидента, изменившие ядерную безопасность

Секретный шар из Лос-Аламоса

Летом 1945 года в секретных лабораториях Лос-Аламоса хранился небольшой металлический шар диаметром около 89 миллиметров. На вид — ничем не примечательный. На ощупь — тёплый, как живой: радиоактивный распад плутония выделял тепло непрерывно. Масса — 6,2 килограмма. Этот шар был способен испепелить целый город.

Его изготовили для третьей атомной бомбы — той, что должна была упасть на Японию после Хиросимы и Нагасаки. Но Япония капитулировала раньше. Шар остался без дела. А потом убил двух учёных.

История, которую вы прочитаете ниже, — о том, как граница между жизнью и смертью в ядерной физике измеряется миллиметрами.

Плутоний и критичность: физика смерти

Чтобы понять, что произошло, нужно разобраться в понятии критической массы.

Плутоний-239 — делящийся материал. Каждый атом, поглощая нейтрон, расщепляется и выбрасывает 2–3 новых нейтрона. Если масса вещества мала, большинство нейтронов вылетает наружу — цепная реакция угасает. Но если масса достигает критического значения, нейтроны успевают делить новые ядра быстрее, чем покидают вещество. Реакция становится самоподдерживающейся.

Для чистого металлического плутония-239 критическая масса составляет около 10 кг. Но если окружить шар отражателем нейтронов — материалом, который возвращает вылетевшие нейтроны обратно — критическая масса резко падает. Карбид вольфрама и бериллий — прекрасные отражатели нейтронов, они уменьшают пороговое значение критической массы. (Нитрид бора — напротив, поглотитель нейтронов, применяется в защитных экранах и управляющих стержнях.)

Именно это свойство плутония сделало демонический шар таким опасным. Он не достигал критичности сам по себе — его масса составляла лишь 6,2 кг. Но стоило поднести отражатель нейтронов достаточно близко, как реакция вспыхивала мгновенно.

Первый инцидент: Гарри Даглян, 21 августа 1945 года

Гарри Даглян был 24-летним физиком, одним из блестящих молодых умов Манхэттенского проекта. Вечером 21 августа 1945 года он работал в одиночестве — нарушение протокола, которое стоило ему жизни.

Даглян проводил эксперимент по сборке нейтронного отражателя вокруг плутониевого шара. Метод был прост и смертельно опасен: он вручную укладывал кирпичи из карбида вольфрама вокруг ядра, постепенно приближая систему к критичности. Счётчик нейтронов пищал всё чаще — это был сигнал, что цепная реакция нарастает.

В какой-то момент Даглян по неосторожности поднёс последний кирпич слишком близко. Счётчик взорвался непрерывным треском. Учёный инстинктивно отдёрнул руку, кирпич упал прямо на шар.

Вспыхнула надкритическая реакция.

Даглян успел сбросить кирпич — реакция остановилась. Всё длилось долю секунды. Но этого хватило.

Он получил дозу облучения около 510 бэр (5,1 Гр) — смертельную при отсутствии лечения. Правая рука, которой он держал кирпич, получила дозу, по оценкам, в несколько тысяч бэр.

Первые симптомы появились почти мгновенно: тошнота, рвота, жжение кожи. В последующие дни — некроз тканей правой руки, выпадение волос, нарастающая слабость. Костный мозг был разрушен — клетки крови перестали обновляться.

Гарри Даглян скончался 15 сентября 1945 года — через 25 дней после инцидента. Охранник, единственный свидетель произошедшего, также получил небольшую дозу облучения, но выжил.

Второй инцидент: Луис Слотин, 21 мая 1946 года

Если первый инцидент был трагической случайностью, то второй — следствием опасной самонадеянности.

Луис Слотин был канадским физиком 35 лет. Он прославился тем, что во время испытания «Тринити» лично вручную собирал первое в истории ядерное взрывчатое устройство. После войны он продолжал работать в Лос-Аламосе — и выработал у себя опасную привычку.

Эксперимент, который Слотин регулярно демонстрировал коллегам, получил в лаборатории прозвище «щекотание хвоста дракона» — по аналогии с тем, как смельчаки дразнили опасного зверя. Официальное название — эксперимент по определению критической сборки.

Метод Слотина был груб и эффективен: он укладывал плутониевый шар в полую бериллиевую полусферу (бериллий — прекрасный отражатель нейтронов) и медленно опускал вторую полусферу сверху, контролируя расстояние... большим пальцем руки и обычной отвёрткой.

Отвёртка вставлялась в зазор и не давала полусферам сомкнуться. Если бы они сомкнулись — произошла бы надкритическая реакция.

21 мая 1946 года в комнате находились семь человек. Слотин привычно демонстрировал эксперимент своему преемнику Элбину Гроуву. В какой-то момент отвёртка соскользнула.

Полусферы сомкнулись.

Голубая вспышка. Волна жара. Счётчики Гейгера захлебнулись от перегрузки.

Слотин рефлекторно рванул верхнюю полусферу руками и отбросил её в сторону. Прошло, вероятно, менее секунды. Но за это время он поглотил дозу около 1000 бэр (10 Гр) — дозу, несовместимую с жизнью.

Остальные семь человек также получили различные дозы облучения в зависимости от расстояния до шара. Слотин, стоявший ближе всех, принял на себя основной удар.

Дозы, полученные участниками инцидента

Слотин умер 30 мая 1946 года. Клиническая картина повторяла то, что произошло с Даглианом: лучевая болезнь 4-й степени, разрушение костного мозга, сепсис, полиорганная недостаточность.

По некоторым свидетельствам, он сам понимал, что произошло, и первым делом зарисовал расположение всех присутствующих на схеме — чтобы медики могли рассчитать полученные дозы.

Почему его назвали «Демоническим»

После двух смертей шар получил своё официальное прозвище — Demon Core, «Демоническое ядро». До этого его называли просто «Руфус» — без особого смысла, просто кодовое имя.

Новое название отражало то, что почувствовали физики: этот объект жил по своим правилам, убивал без предупреждения и не прощал ошибок.

Практика «щекотания хвоста дракона» была немедленно запрещена. Отныне эксперименты с приближением к критичности могли проводиться только дистанционно — с помощью механических манипуляторов и за защитными экранами.

Ричард Фейнман, работавший в Лос-Аламосе, впоследствии описал подобные эксперименты как «игру в русскую рулетку». Он имел в виду не только конкретные инциденты, но и общую культуру безопасности первых лет ядерной программы: учёные нередко пренебрегали мерами предосторожности, убеждённые в собственном профессионализме.

Судьба шара

Уцелевший плутониевый шар был отправлен на ядерные испытания «Операция Crossroads» на атолле Бикини в 1946 году. Там он был использован как делящийся материал в одном из взрывов.

Таким образом, ядро, которое убило двух учёных, в итоге всё же было взорвано — просто не над японским городом, а над тихоокеанским атоллом.

Наследие

Два инцидента с Demon Core стали поворотным моментом в истории ядерной безопасности.

До них считалось, что опытный физик способен управлять приближением к критичности «на глазок» — по звуку счётчика Гейгера, по интуиции, по профессиональному чутью. После — эта идея была отброшена навсегда.

Что изменилось:

• Все эксперименты с делящимися материалами вблизи критичности перешли на дистанционное управление
• Введены строгие правила по числу людей в помещении при работе с ядерными материалами
• Разработаны детекторы критичности с автоматическим аварийным сигналом
• Создана система ядерной безопасности, которая легла в основу МАГАТЭ

Имена Даглиана и Слотина сегодня упоминают в каждом курсе по ядерной безопасности. Не как жертв халатности — а как людей, чья гибель сформировала стандарты, которые с тех пор спасли бесчисленное количество жизней.

Маленький тёплый шар из плутония давно превратился в радиоактивную пыль где-то в Тихом океане. Но его история продолжает учить.