<- | Страница 99 | ->
6.1. Как видно из глав IV и V, данные о возможности создания атомной бомбы, полученные к концу 1941 г., оправдывали необходимость расширения работ, и это расширение требовало административной реорганизации. Было общепризнано, что возможность создания атомной бомбы чудовищной разрушительной силы из концентрированного урана-235 или из нового элемента плутония очень вероятаа; поэтому было предложено составить широкую, программу экспериментальных и теоретических работ как по разделению изотопов, так и по цепным реакциям.
Рассчитывали, что эти работы окончательно установят, может ли быть выделен урана. Предполагалось также, что намеченные программой исследования обеспечат Проект теоретическими и экспериментальными данными, необходимыми для конструирования бомбы, использующей цепную реакцию на быстрых нейтронах.
6.2. Как уже было указано в главе V, разработка проблемы разделения изотопов была передана группе Лоуренса и Юри, а остальные вопросы были поручены группе Комптона, которая была организована под условным названием "Металлургическая лаборатория" Чикагского университета. В этой и в последующих двух главах мы опишем работу Металлургической лаборатории и
<- | Страница 100 | ->
связанных с ней других лабораторий вплоть до июня 1945 г. В остальных главах мы рассмотрим работы по разделению изотопов и работы группы по разработке бомбы, выделившейся из Металлургической лаборатории в начале 1943 г.
6.3. Нет смысла пытаться определять относительную важность вклада отдельных лабораторий в общий успех проектирования атомной бомбы. В настоящем отчете не делается такой попытки, н в нем нет соответствия между местом, отведенным для описания работ какой-либо группы, и возможностями или важностью этих работ. При решении вопроса, какой раздел проекта атомной бомбы должен быть обсужден раньше и более полно, мы руководствовались критерием общего интереса и военной тайны. Некоторые усовершенствования большой технической важности имеют небольшой общий интерес, другие и интересные и важные должны все еще держаться в секрете. С точки зрения такого критерия, приложенного к задачам и результатам деятельности различных лабораторий, организованных с тех пор, как были начаты работы в широком масштабе, наиболее подробно должна быть освещена деятельность Металлургической лаборатории.
6.4. В соответствии с указанными целями, первоначальными задачами Металлургической лаборатории были: во-первых, найти систему, использующую нормальный уран, в которой могла бы итти цепная реакция; во-вторых, показать, что если такая цепная реакция будет осуществлена, то можно будет химически выделить плутоний из остального вещества; и, наконец, получить теоретические и экспериментальные данные для осуществления взрывной цепной реакции или с
6.5. Лаборатория должна была не только заниматься стоящими перед ней первоочередными задачами, но одновременно иметь в виду конечную цель и работать над ней, исходя из предположения, что ближайшие цели будут достигнуты. Нельзя было
<- | Страница 101 | ->
отложить изучение химии плутония до получения цепной реакции. Нужно было исходить из того, что плутоний будет выделен, и двигаться вперед с разработкой проектов его производства в применения. По мере накопления научных данных, формулировки задач непрерывно изменялись, и программы исследований пересматривались почти каждую неделю.
Группа экспериментаторов-физиков, специалистов по ядру, под руководством Э. Ферми в основном занималась вопросами цепной реакции; химическое отделение, организованное Ф.Г. Следингом (в дальнейшем, последовательно, под руководством С.К. Алисона, И. Франка, В.К. Джонсона и Т. Хогнеса) занималось химией плутония и методами разделения; теоретическая группа под руководством Э. Вигнера проектированием производственных котлов. Однако, эти задачи переплетались, и различные научные и технические вопросы, связанные с процессом деления, изучались в той группе, которая казалась наиболее подходящей для решения данной задачи. В марте 1942 г. во главе технической группы был поставлен Томас М. Мур. Остальные старшие сотрудники в этой группе были: М.К. Ливеретт, Дж.А. Уилер и К.М. Купер, позже сменивший Мура в качестве руководителя технического отдела. Летом 1942 г. стала очевидной важность проблемы охраны здоровья, и был организован отдел под руководством д-ра Р.С. Стоуна. Трудная задача организации и управления исследовательской лабораторией, увеличивающейся в размерах и сложности почти с быстротой взрыва, разрешалась директором лаборатории Р.Л. Доуном.
6.6. Мы решили посвятить эту главу работам 1942 г., так как в этом году 2 декабря была впервые осуществлена самопроизвольная цепная реакция и в это же время весь Чикагский проект оценивался комитетом, члены которого были подобраны специально по признаку наличия у них технической подготовки (Этот комитет состоял из У.К. Льюиса, К.Г. Гринвольта, Т.К. Гэри и Роджера Вильямса; Э.В. Мерфри был также член комитета, но по болезни не имел возможности принять участие в его работе.). Это совпадение было знаменательным и вместе с тем выгодным для нашего отчета, так как каждое из указанных событий могло рассматриваться, как веха, обозначающая конец определенного этапа в работе Металлургической лаборатории. При подготовке к посещению
<- | Страница 102 | ->
членов этого комитета, был составлен исчерпывающий доклад, известный под названием Feasibility Report, который был широко использован при подготовке данной главы.
6.7. В этой главе материал представлен согласно последовательности указанных выше задач. В части I рассматриваются успехи в разрешении начальных задач, включая: (a) накопление материалов, (b) экспериментальное доказательство цепной реакции, (c) химию плутония и некоторые вопросы разделения, (d) некоторые из выполненных вспомогательных работ, и наконец, (e) работы по "быстрым нейтронам". Естественно, работы, описываемые детально, представляют только пример большого количества фактически выполненных теоретических и экспериментальных исследований. В части II мы рассмотрим возможности промышленных котлов и методов разделения и специальные предложения, сделанные в ноябре 1942 г.
6.8. Как уже выяснилось из предыдущих глав настоящего отчета, снабжение материалами достаточной чистоты представляло главную часть всей проблемы. Что касается урана, то казалось очевидным, что необходимо будет иметь его в виде металла высокой чистоты или, по меньшей мере, в виде очень чистой окиси. Другими материалами, которые оказывались необходимыми, были графит, тяжелая вода и, возможно, также бериллий. К тому времени уже было ясно, что, каковы бы ни были преимущества тяжелой воды для применения в качестве замедлителя, ее нельзя будет получить в больших количествах в течение месяцев или лет. Бериллий имел меньшие преимущества, причем добыть его было так же трудно. Поэтому все усилия были сосредоточены на получении
<- | Страница 103 | ->
графита в качестве материала для замедлителя. Как уже указывалось в главе V, обеспечение ураном и графитом первоначально не было возложено на Металлургическую лабораторию, а было передано через Мерфри и других Бюро технического планирования. Фактически же очевидная заинтересованность Металлургической лаборатории в разрешении этой проблемы приводила к беспрерывному вмешательству лаборатории через ее представителей. Большая доля заслуг в достижении конечного успеха в получении материалов принадлежит Н. Хилбери, а позже Р.Л. Доуну, постоянно поддерживаемых А.X. Комптоном.
6.9. Очевидно, не было бы никакого основания предпринимать осуществление Проекта, если бы не была найдена возможность получать уран в достаточном количестве для производства бомб. Прежние данные были благоприятны, а тщательная разведка, проведенная в ноябре 1942 г., показала, что возможно наладить немедленную разработку урановых руд в достаточных количествах.
6.10. В конце 1941 года все количество наличного металлического урана составляло несколько граммов металла хорошего качества, произведенного, в виде эксперимента, фирмой Westinghouse Elictric Manufacturing Co. и другими, и несколько фунтов весьма загрязненного пирофорного порошка, произведенного фирмой Metal Hydrides Co. Единственное сырье, которым можно было в то время располагать в США в значительных количествах, была коммерческая черная окись урана, которую можно было получить в ограниченных количествах от Canadian Radium and Uranium Co. Эта окись содержала от 2 до 5% примесей и при использовании ее в экспоненциальных опытах коэффициент размножения нейтронов был равен приблизительно 0,87.
6.11. К маю 1942 г. стала поступать черная окись высокой очистки и более однородной структуры, в количестве в среднем 15 тонн в месяц. Общее количество примесей составляло менее 1%, примесь бора составляла несколько частей на миллион, и коэффициент размножения нейтронов был равен около 0,98.
<- | Страница 104 | ->
(Вспомним, что коэффициент размножения зависит также и от чистоты графита). Поставка окиси урана в сентябре 1942 г. достигла одной тонны в день.
6.12. Опыты, произведенные Дж.И. Гофманом в Национальном Бюро Стандартов, показали, что при извлечении эфиром все примеси удаляются при одном извлечении уранил-нитрата. Применение этого метода устранило множество затруднений в получении чистой окиси и чистых материалов для производства металлического урана. В начале мая 1942 г. были закончены переговоры с химическими заводами Малинкродта в Сен-Луи (Mallinckrodt Chemical Works) о пуске в производство нового вида окиси, получаемой в процессе извлечения эфиром, для дальнейшего снижения содержащихся в ней примесей и о поставке конечного продукта в виде коричневой двуокиси. Поставки начались в июле 1942 года в количестве 30 тонн в месяц. Эта окись в настоящее время служит исходным материалом во всем производстве металлического урана, и более высокой степени очистки в промышленных масштабах ожидать нельзя. И действительно, разработка и пуск в производство процесса в масштабах порядка одной тонны в день, позволяющего превратить весьма загрязненную коммерческую окись в продукт такой степени чистоты, которая редко достигается даже в лабораторных масштабах, представляли выдающееся достижение.
6.13. Процессом, который применяла фирма Вестингауза для производства урана, был электролиз KUF5, что обходилось около 1000 долларов за фунт. Так как KUF5 получался фотохимическим методом под действием солнечного света, то получение его представляло узкое место в производстве. Было найдено, что вместо KUF5 можно применять четырехокись, и были предприняты шаги к тому, чтобы эта соль производилась фирмой Harshaw Chemical Co. в Кливленде и заводами Дюпона в Пенсгруве (штат Нью-Джерси). Производство было начато в августе 1942 года и к октябрю того же года достигло 700 фунтов в день у Харшоу и 300 фунтов в день у Дюпона; методом производства в обоих случаях была гидрофлуоризация двуокиси, очищенной на заводах Малинкродта.
6.14. В результате такого снабжения Вестингауза сырьем и расширения завода поставки от Вестингауза достигли в общем
<- | Страница 105 | ->
более, чем 6000 фунтов к ноябрю 1942 г., и ожидалось, что производительность достигнет 500 фунтов в день в январе 1943 года. Чистота металла была хорошей, а стоимость снизилась до 22 долларов за фунт.
6.15. По разным причинам, поставка приемлемого металла от фирмы Metal Hydrides Co. задерживалась и началась только в ноябре 1942 года. Предполагалось, что впоследствии продукция этой компании достигнет 1000 фунтов в неделю.
6.16. Ни процесс, применявшийся Вестингаузом, ни процесс фирмы Metal Hydrides Co. не были вполне удовлетворительными. Большие усилия были направлены на ускорение производства металла; над этим независимо работали Ф.Г. Спединг с сотрудниками в колледже штата Айова в Эймсе и К.Дж. Родден в Национальном Бюро Стандартов, и в результате был разработан удовлетворительный метод. Оборудование для производства было установлено в Эймсе осенью 1942 года и уже к концу ноября давало более одной тонны. Процесс был исключительно прост, быстр и дешев.
6.17. Дальнейшие исследования показали, что возможны дополнительные изменения, улучшающие производство, и в середине 1943 года Спединг в Айова и другие, участвовавшие в этом деле окончательно приняли метод производства.
6.18. К концу 1942 г. Манхэттенский Округ заключил соглашение на увеличение продукции урана за счет большего использования заводов Малинкродта, фирмы Union Carbide and Carbon Corporation и фирмы Дюпон.
6.19. Подводя итоги, мы видим, что в течение большей части 1942 года металлический уран получить было практически невозможно; это обстоятельство, как мы увидим ниже, сильно задержало развитие дела. Однако, вопросы производства металла были почти разрешены в конце 1942 г., и котел, построенный в ноябре 1942 г., содержал около 6 тонн металлического урана. Вся проблема снабжения металлом была принята на себя Манхэттенским Округом под общим руководством полковника Ругофа, ранее работавшего на заводах Малинкродта. С точки зрения Металлургического проекта, в дальнейшем не было серьезных задержек или затруднений, связанных с недостатком металла.
<- | Страница 106 | ->
6.20. В начале 1942 года производство графита было все еще неудовлетворительно; разумеется, оно находилось в совершенно иных условиях, чем получение урана, поскольку промышленное производство графита было очень велико. Задача заключалась только в очистке и в первоочередности снабжения. В значительной степени благодаря усилиям Н. Хилбери были привлечены фирмы National Carbon Co. и Speer Carbon Co. По предложениям экспертов Национального Бюро Стандартов, эти фирмы могли производить графит высокой чистоты с поглощением нейтронов на 20% меньшим, чем у применявшегося ранее стандартного коммерческого графита. Хотя и в дальнейшем усилия, направленные на снижение примесей, имели некоторый успех, проблема очистки графита в основном была решена к середине 1942 г., и совместно с Управлением военного производства (War Production Board) были размещены большие заказы. Так же, как и в отношении урана, снабжение графитом было передано Манхэттенскому Округу.
6.21. Ко времени организации Металлургического проекта большинство физиков, знакомых с состоянием вопроса, считали, что система, в которой будет развиваться цепная реакция, вероятно, осуществима, если можно будет получить достаточно чистый графит и чистый металлический уран. Было выполнено достаточное число работ по резонансному поглощению, по теории поглощения и диффузии нейтронов в котле и по промежуточным экспериментам, чтобы можно было рассчитать конструкцию решетки, которая имела бы очень большую вероятность поддержать цепную реакцию. Тем не менее, в экспериментальных данных и в приближениях, допущенных в теоретических вычислениях, была неопределенность. Предстоял выбор между двумя альтернативами: 1) построить котел по наилучшей возможной схеме; 2) произвести более точные определения ядерных постоянных, провести промежуточные эксперименты и улучшить расчеты. Едва ли можно было сомневаться, что первая альтернатива представлялась наиболее
<- | Страница 107 | ->
быстро ведущей к цели производству плутония. Было много существенных вопросов, которые могли быть быстрее разрешены в процессе действия котла, чем путем выполнения ряда экспериментов в небольших масштабах. К сожалению, в то время и еще в течение 9 месяцев нельзя было получить достаточного количества материалов. Поэтому пришлось выбрать вторую альтернативу, т.е. собрать все доступные сведения любыми имевшимися в распоряжении средствами.
6.22. Основной линией исследования была постановка ряда промежуточных экспериментов. В специальных условиях каждого промежуточного эксперимента можно было получить данные для проверки расчетов, основанных на отдельных вспомогательных опытах. Изменялось отношение окиси урана к графиту, применялись окиси различной чистоты, применялись блоки окиси различных размеров, различной формы и различной плотности, изменялись размеры решетки, испытывалось влияние окружения элементов окиси урана бериллием и парафином н, наконец, испытывались устройства с одинаковым типом решетки, но с различными общими размерами, чтобы проверить, будут ли одинаковы знаучения коэффициента размножения k (для бесконечных размеров), вычисленные на основании различных серий экспериментов. Э. Ферми занимался исследованием влияния примесей, С.К. Алисон испытаниями решеток различных размеров. Все эти эксперименты укрепили уверенность группы физиков в правильности вычисленного значения k и в том, что можно построить котел с коэффициентом k, превышающим 1. В июле от Малинкродта было получено достаточное количество очищенной окиси урана для постройки промежуточной установки #9. Так же, как и в предварительных экспериментах, радие-бериллиевый источник нейтронов помещался у основания решетки, и плотность нейтронов измерялась вдоль вертикальной оси котла. К этому времени уже было известно, что плотность нейтронов уменьшается экспоненциально с увеличением расстояния от источника нейтронов (отсюда часто употреблявшееся название "экспоненциальный опыт") и что, исходя из этой скорости уменьшения, можно вычислить коэффициент размножения k для бесконечно большого котла с той же структурой решетки. Впервые коэффициент размножения k, вычисленный таким образом на основании экспериментальных результатов,
<- | Страница 108 | ->
получился больше единицы (его значение оказалось равным 1,007). Еще до проведения этого эксперимента Комптон в докладе от 1 июля предсказывал, что можно будет получить значение k между 1,04 и 1,05 в котле, содержащем окись урана высокой очистки и графит, если только из котла будет удален воздух для того, чтобы предотвратить поглощение нейтронов азотом.
6.23. Мы не будем упоминать множества различных вспомогательных экспериментов, выполненных за этот период. Однако, один такой эксперимент изучение запаздывания нейтронов мы рассмотрим, так как он представляет собою хороший пример тех экспериментов, какие приходилось выполнять, и так как в этом случае речь идет об эффекте, до сих пор не упоминавшемся, но чрезвычайно важном для управления котлом, в котором идет цепная реакция.
6.24. Из прежних исследований, из которых некоторые уже были опубликованы, известно, что около 1% нейтронов, испускаемых в процессе деления, выбрасывается не немедленно, а испускается в течение некоторого периода времени явление, напоминающее β-излучение радиоактивных веществ с малым периодом полураспада. В опытах наблюдалось несколько периодов полураспада, самый продолжительный из которых имел порядок 1 минуты.
6.25. Уже сначала было ясно, что это время запаздывания приводит к своего рода инерции цепной реакции, позволяющей значительно облегчить управление. Если эффективный коэффициент размножения в котле несколько превысит значение 1, то плотность нейтронов не возрастет до опасных значений почти мгновенно, а будет нарастать постепенно, так что будет возможность ввести в действие управляющие устройства. (Другие интервалы времени, которые имеются в этом процессе, например, промежутки времени между соударениями, слишком малы, чтобы можно было ими воспользоваться).
6.26. Вследствие важности явления запаздывания нейтронов для управления было решено повторить и улучшить прежние измерения. (Тот факт, что это было скорее повторение, а не новые