<- | Страница 217 | ->
12.1. Общая цель работы, описанной в предыдущих главах исследовать возможность создания атомных бомб и производства концентрированных, способных испытывать деление материалов, требующихся для таких бомб. В настоящей главе будет описана последняя стадия работы техническая разработка в Лос-Аламосе самой атомной бомбы. Как и в других частях Проекта, здесь должны быть рассмотрены две фазы: организация дела и собственно научно-техническая работа. Организация будет описана кратко, остальная же часть главы посвящена научным и техническим проблемам. Естественно, что соображения секретности не допускают обсуждения многих из наиболее важных фаз этой работы.
12.2. Проект реорганизации, имевшей место в начале 1942 г., и последующая постепенная передача дела, находившегося в ведении ОСРД, Манхэттенскому Округу были описаны в главе V. Напомним, что изучение физики атомной бомбы сперва входило в обязанности Металлургической лаборатории в Чикаго. Некоторые предварительные исследования были проделаны в 1941 г. В начале 1942 г. Г. Брейт организовал в нескольких лабораториях (см. 6.38) работу по экспериментальному исследованию вопросов, Которые должны были быть разрешены еще до получения каких-либо результатов в области конструирования бомбы. Как уже Упоминалось в главе VI, профессор Калифорнийского университета И.Р. Оппенгеймер собрал летом 1942 г. группу для дальнейших
<- | Страница 218 | ->
теоретических исследований, а также взял на себя согласование экспериментальных работ. Официально эта группа числилась при Металлургической лаборатории, но теоретическая группа большую часть работы провела в Калифорнийском университете. К концу лета 1942 г., когда руководство всем Проектом принял на себя генерал Л.Р. Гроувз, было решено значительно расширить работу и как можно скорее построить отдельную лабораторию.
12.3. При выборе участка для лаборатории атомных бомб на первом месте стояли соображения секретности и безопасности для населения. Поэтому решено было строить лабораторию в уединенном месте и отрезать всякую излишнюю связь с внешним миром.
12.4. К ноябрю 1942 г. место постройки было выбрано в Лос-Аламосе (Нью-Мексико). Оно было расположено на плато, приблизительно в 30 милях от Санта-Фе. Преимуществом этого места было наличие значительной площади для производства испытаний, но вначале единственными сооружениями на участке было несколько строений, когда-то представлявших собой небольшую школу. Не было ни лаборатории, ни библиотеки, ни мастерской, ни соответствующего силового хозяйства. Единственным средством связи с внешним миром служила извилистая горная дорога. Преодоление всех трудностей, связанных с местными условиями, было в значительной степени результатом напряженной работы научного и военного персонала.
12.5. Директором лаборатории с самого начала стал И.Р. Оппенгеймер. Он прибыл на участок в марте 1943 г. и вскоре к нему присоединились группы и отдельные работники Принстонского, Чикагского, Калифорнийского, Висконсинского и Миннезотского университетов и других мест. Пользуясь энергичной поддержкой генерала Гроувза, Дж. Конанта и других, Оппенгеймер продолжал объединять вокруг себя виднейших ученых, так что конец 1944 г. застал необычайную плеяду светил ученого мира, собранных на плато в Нью-Мексико. Комплектование младшего научного и технического персонала оказалось делом более трудным, так как для таких лиц неудобства места работы не всегда уравновешивались сознанием величия целя. Использование специального инженерного отряда значительно улучшило положение.
12.6. Естественно, что задача собирания необходимой аппаратуры,
<- | Страница 219 | ->
машин и оборудования оказалась огромной. Три грузовика с аппаратурой из Принстона удовлетворили часть наиболее острых потребностей. Вскоре прибыли циклотрон из Гарварда, два генератора Ван-де-Граафа из Висконсина и высоковольтная установка Кокрофта-Уолтона из Иллинойса. В качестве иллюстрации быстроты, с которой была создана лаборатория, мы можем отметить, что нижний полюс электромагнита циклотрона был установлен 14 апреля 1943 г., а в начале июля уже проводился первый эксперимент. Приобреталось множество других приборов, были выстроены вспомогательные лаборатории, и в настоящее время эта лаборатория является, по всей вероятности, лучшей в мире по своему оборудованию физической лабораторией.
12.7. Лаборатория финансировалась по договору, заключенному между Манхэттенским Округом и Калифорнийским университетом.
12.8. В главе II мы установили общие условия, необходимые для получения саморазвивающейся цепной реакции. Было указано, что имеются четыре взаимно конкурирующих процесса, в которых принимают участие нейтроны: (1) захват нейтронов ураном, приводящий к делению последнего; (2) захват нейтронов ураном без деления; (3) захват примесями и (4) вылет нейтронов из системы. Условием получения такой цепной реакции служит то, что в процессе (1) будет возникать столько же новых нейтронов, сколько их расходуется или теряется во всех четырех процессах, вместе взятых. Указывалось, что процесс (2) можно ослабить устранением изотопа
12.9. По определению, взрыв есть внезапное и бурное выделение
<- | Страница 220 | ->
(в небольшом объеме) большого количества энергии. Для эффективного взрыва атомной бомбы части ее не должны заметно отодвинуться друг от друга, прежде чем выделится значительная часть имеющейся в наличии ядерной энергии, так как расширение приводит к увеличению вылета нейтронов из системы и следовательно, к преждевременному прекращению цепной реакции. Иначе говоря, эффективность атомной бомбы зависит от отношения: (а) скорости, с которой нейтроны, освобожденные первыми делениями, проникают в другие ядра и вызывают дальнейшие деления и (b) скорости, с которой бомба разлетается на части. Пользуясь известными законами выделения энергии, повышения температуры и давления, расширения твердых тел и газов, можно было оценить порядок промежутка времени между началом и концом ядерной цепной реакции. Почти все технические трудности Проекта связаны с необычайной малостью этого интервала.
12.10. В предыдущих главах мы установили, что саморазвивающаяся цепная реакция не может быть вызвана в массе чистого металлического урана, независимо от ее размеров, из-за паразитного захвата нейтронов ураном-238. Это заключение было результатом различных теоретических вычислений, а также прямого эксперимента. Чтобы получить невзрывающийся котел, можно применить решетку и замедлитель, что в достаточной мере уменьшает паразитные захваты. Для осуществления взрывающейся системы этот прием, как оказалось, неудовлетворителен в двух отношениях. Во-первых, процесс на тепловых нейтронах развивается столь медленно, что в результате получился бы лишь слабый взрыв. Во-вторых, котел получается слишком большим для транспортировки. Поэтому для осуществления взрывающейся системы необходимо исключить паразитный захват, удалив большую часть
12.11. Эти общие положения, как и многие другие, были твердо установлены еще до возникновения Лос-Аламосского проекта.
12.12. Вычисление критических размеров является проблемой, которую мы уже обсуждали в связи с вопросом о котлах. Хотя расчет для однородного металла проще, чем для решетки, но в начальном периоде работы оставались неточности, обусловленные
<- | Страница 221 | ->
как недостаточно точным знанием постоянных, так и математическими трудностями. Так, поперечные сечения рассеяния, деления и поглощения нейтронов ядрами, участвующими в реакции, меняются со скоростью нейтронов. Детали этих изменений не были известны экспериментально и крайне трудно учитывались при расчетах. Весной 1943 г. на основе использования различных методов вычисления и наиболее надежных ядерных постоянных были высказаны некоторые суждения о критических размерах, но все же пределы ошибок оставались большими.
12.13. Критические размеры урано-графитового котла могут быть значительно уменьшены, если он окружен слоем графита, так как эта оболочка отражает много нейтронов обратно в котел. Подобную оболочку можно применить и для уменьшения критических размеров бомбы, однако, здесь она играет еще дополнительную роль: ее собственная инерция задерживает расширение реагирующего материала. Применение ее приводит к более длительному, более энергичному и эффективному взрыву. Наиболее эффективной является оболочка, имеющая максимальную плотность: высокая прочность на разрыв оказывается несущественной. Благодаря счастливому совпадению, материалы высокой плотности одновременно являются и превосходными отражателями нейтронов.
12.14. Как уже отмечалось выше, бомба во время реакции стремится разлегеться на куски, что ведет к превращению реакции. Подсчет, насколько должна расшириться бомба, прежде чем реакция прекраттся, относительно прост. Подсчет же времени этого расширения и сколь далеко заходит за это время реакция гораздо труднее.
12.15. Оболочка должна увеличивать коэффициент полезного действия как из-за отражения нейтронов, так и из-за задержки в расширении бомбы, но оказывается, что ее действие на КПД не столь велико, как на критическую массу. Причина этого в том, что процесс отражения требует относительно большого времени и не может широко развиться до момента окончания реакции.
<- | Страница 222 | ->
12.16. Как было установлено в главе II, невозможно предотвратить возникновение цепной реакции, если размеры бомбы превосходят критические. Дело в том, что всегда имеется достаточно нейтронов для начала цепной реакции (нейтроны от космических лучей, от спонтанных делений или от реакций в примесях, вызванных α-частицами). Таким образом, пока детонация нежелательна, бомба должна состоять из некоторого числа отдельных частей, каждая из которых меньше критической (или по малости геометрических размеров, или вследствие неподходящей формы). Чтобы вызвать детонацию, отдельные части бомбы нужно сблизить достаточно быстро вместе. Из-за присутствия блуждающих нейтронов цепная реакция может начаться уже во время этого сближения, еще до того момента, как бомба достигла наиболее компактной, т.е. наиболее благоприятной для реакции формы. В этом случае взрыв будет мешать бомбе достигнуть этой наиболее компактной формы. Может случиться, что он будет совсем неэффективен. Возникает поэтому двойная задача: (1) уменьшить до минимума время сближения частей бомбы и (2) уменьшить до минимума число блуждающих нейтронов.
12.17. Опасность получения "хлопка", т.е. детонации столь малой эффективности, что даже сама бомба окажется разрушенной неполностью, также подвергалась рассмотрению. Это было бы, конечно, весьма нежелательно, так как дало бы в руки врага запас весьма ценного материала.
12.18. В главах II и IV указывалось, что количество выделяющейся энергии не является единственным критерием ценности бомбы. Нет никакой уверенности в том, что урановая бомба, выделяющая энергию, равную энергии взрыва 20 000 тонн тринитротолуола, будет столь же эффективна в отношении вызываемых ею разрушений, как, скажем, 10 000 двухтонных бомб. Есть основания думать, что разрушительное действие на каждую освобождаемую калорию уменьшается с увеличением общего количества освобождающейся энергии. С другой стороны, в атомных бомбах общее количество освобождающейся энергии на килограмм делящегося материала (т.е. КПД освобождаемой энергии) увеличивается
<- | Страница 223 | ->
вместе с размерами бомбы. Таким образом, определить оптимальные размеры атомной бомбы оказалось нелегко. Вопрос усложняется еще тем, что, с точки зрения тактики, существенным преимуществом является возможность мгновенного разрушения большой площади вражеской территории. При полной оценке эффективности атомной бомбы необходимо учитывать и ее действие на психику (Остальная часть параграфа взята из сообщения Военного министерства по поводу первого применения атомной бомбы против Японии.).
В боевой обстановке бомба взрывается на такой высоте от поверхности земли, с которой она могла бы оказать максимальное разрушающее действие на здания и рассеять в виде облака радиоактивные продукты взрыва. Учитывая высоту взрыва, можно считать, что практически все радиоактивные продукты будут уноситься вверх восходящим потоком горячего воздуха и рассеиваться без вреда на большой территории. Даже при испытании в Нью-Мексико, где высота взрыва была по необходимости мала, лишь очень небольшая доля радиоактивных продуктов осела непосредственно под бомбой.
12.19. Ввиду того. что скорости, с которыми субкритические массы
12.20. Выяснилось, что возможно предложить схемы, где поглотители нейтронов были бы заключены в бомбе так, чтобы нейтроны
<- | Страница 224 | ->
играли меньшую роль в начальных стадиях цепной реакции.
Тенденция к преждевременной и неэффективной детонации бомбы в этом случае сводится к минимуму. Такие устройства для увеличения коэффициента полезного действия бомбы называются автокаталитическими.
12.21. В апреле 1943 г. сколько-нибудь ценные и интересные сведения о конструкции атомных бомб были предварительны и неточны. Настоятельно требовалясь дальнейшая и интенсивная теоретическая работа по критическим размерам, коэффициенту полезного действия, влиянию оболочки, эффективности и методу детонации. Должны были быть продолжены и улучшены измерения ядерных постоянных
12.22. Помимо указанных задач в области теоретической и экспериментальной физики, оставалось множество химических, металлургических и технических задач, которые еще почти не были затронуты. Таковы, например, очистка и производство
12.23. Весь научный персонал в Лос-Аламосе был разделен на 7 отделов, которые потом в разное время реорганизовывались. Весной 1945 года существовали следующие отделы:
<- | Страница 225 | ->
Все секции отчитывались перед И.Р. Оппенгеймером, директором Лос-Аламосской лаборатории, которому с декабря 1944 г. в координировании исследовательских работ стал помогать С.К. Алисон, Дж. Чэдвик (Англия) и Н. Бор (Дания) провели много времени в Лос-Аламосе и оказали неоценимую помощь. Чэдвик возглавлял английскую делегацию, которая существенно способствовала успеху лабораторий. Из соображений секретности большая часть работ лабораторий может быть описана лишь частично.
!2.24. Два обстоятельства придали необычайную важность работе отдела теоретической физики, руководимого Г. Бете. Первым из них была необходимость одновременного развертывания всех работ, начиная от основных материалов и кончая методом их использования несмотря на фактическую недоступность главных материалов
12.25. Определение критических размеров бомбы было одной из главных задач отдела теоретической физики. С течением времени теоретические представления уточнялись, благодаря чему сказалось возможным учесть практически все сложные явления,
<- | Страница 226 | ->
связанные с взрывом атомной бомбы. Сперва, например, принималось, что диффузия нейтронов аналогична диффузии тепла, но эту наивную аналогию пришлось оставить. В первоначальной теоретической работе предполагалось также, что все нейтроны имеют одинаковую скорость и рассеиваются изотропно. Таким образом, был разработан метод, допускавший вычисление критических размеров для различных (геометрических) форм испытывающего деление материала в предположении, что средняя длина свободного пробега нейтрона в нем и в веществе оболочки одна и та же. Позднее этот метод был усовершенствован; были учтены законы распределения по углам при рассеянии нейтронов и различие средних свободных пробегов нейтронов в веществе сердечника и оболочке бомбы. Еще позднее были найдены средства учитывать влияние распределения скоростей нейтронов, изменения поперечных сечений со скоростью и неупругого рассеяния в веществе сердечника и оболочки. Таким путем оказалось возможным подсчитать критические размеры почти при любом материале оболочки.
12.26. Скорость, с которой плотность нейтронов убывает в веществе бомбы при размерах, меньших критических, может быть вычислена с учетом всех упомянутых выше обстоятельств. Скорость приближения к критическим условиям, когда снарядная часть бомбы движется по направлению к другой части бомбы (к мишени) также изучалась теоретическими методами. Кроме того, теоретическими изысканиями было найдено и наилучшее распределение испытывающего деление материала в снаряде и в мишени.
12.27. Была разработана техника обращения с установками, в которых число нейтронов столь мало, что необходимо было провести тщательный статистический анализ действия нейтронов. Важнейшей задачей в этом направлении было определение вероятности того, что блуждающий нейтрон начнет непрерывную цепную реакцию для бомбы величины больше критической. Задачей, родственной предыдущей, было определение величины флуктуации плотности нейтронов в бомбе, размеры которой в точности равны критическим. Летом 1945 года многие из таких вычислений были проверены на опыте.
12.28. Большая теоретическая работа была проведена по уравнению состояния вещества при высоких температурах и давлениях,