История ракетно-ядерной гонки США и СССР

Буянов Евгений Вадимович

Чисто «теоретически» нацистская Германия могла создать атомную бомбу к концу войны, но для этого ей надо было не ранее 1939 года ввести жёсткую централизацию и управление атомным проектом на государственном уровне, отпустить на проект огромные средства и «продавить» все работы по созданию целой отрасли атомной промышленности. В условиях войны с СССР это было сделать практически невозможно, – для этого просто не хватило бы ресурсов. Германии, к примеру, надо бы было отказаться от строительства и поддержания подводного флота, реактивных истребителей и ракет ФАУ-1 и ФАУ-2. Боевой же эффект от применения одной-двух ядерных бомб (и даже двух-трёх десятков) не мог бы оправдать затрат и потерь в части боевого оснащения вооружённых сил. У высшего руководства Германии не было никакого понимания относительно важности и перспектив создания атомного оружия. У германских физиков не было чёткого понимания и о реальных сроках, и о реальном уровне затрат на ЯО, – его создание они считали вопросом будущего, отдалённого не на 5, а на 10 и более лет.

В Германии реально имело место ослабление научного потенциала из-за эмиграции многих учёных, распыление научных сил по разным направлениям исследований без их чёткой ориентации на выполнение военных задач и попытки решить задачу с весьма ограниченными средствами без чётких представлений о затратах на программу. Сама война наложила печать обречённости на ход работ: они тормозились диверсиями (например, на заводах тяжёлой воды в Норвегии) и бомбёжками объектов в Германии. Допущенные в ходе экспериментов ошибки не удалось быстро исправить. В этом смысле, например, характерна крупная ошибка физика Боте. При определении длины пробега тепловых нейтронов внутри графита в январе 1941 года он ошибся в два раза (вместо 61–70 см у него получилось 35), из-за чего сделал неверный вывод о невозможности использования графита в качестве замедлителя нейтронов в реакторах. А коллеги ошибку не обнаружили, а подтвердили «правильность» результатов ошибочного эксперимента до обнаружения ошибки только в январе 1945 года. А ведь в первом американском и советском ядерных реакторах в качестве замедлителя использовали чистый графит, а не тяжёлую воду. Создать «бомбу» было невозможно без создания целой новой отрасли атомной промышленности, – вот до такого уровня германским физикам подняться не удалось, – в Германии не обнаружили таких огромных предприятий. Хотя по уровню многих разработок в 1945 году германский атомный проект был сравним с советским, и даже опережал его по ряду позиций. Но германский проект был обречён из-за поражения Германии в войне, а советский проект после Победы стал набирать силу.

Ядерный проект Японии во время Второй мировой войны возглавлял профессор Ёсио Нисима. Он не сумел продвинуться далеко, разрабатывая только электромагнитный способ разделения изотопов на небольших циклотронах, достигнутая мощность которых была значительно ниже циклотрона на установке Y-12 Лоуренса. После окончания войны американцы уничтожили японские установки, поняв, что для них они научно ценности не представляют.

Суперзаводы и комбинаты для создания ядерного оружия

«Супероружие» не могло возникнуть ранее «супер-сооружений» и «супер-комбинатов» для его производства. Проблема состояла в разделении изотопов урана – надо было отделить ядерное горючее – уран-235 от урана 238 – для этого требовались огромные производственные мощности с новыми машинами, поскольку обычными химическими методами разделение выполнить невозможно. И требовались крупные реакторные установки с мощностями порядка сотен МВт для получения оружейного плутония из природного урана. В Ок-Ридже (штат Тенесси) были возведен завод К-25 по обогащению урана, реакторная установка Х10 по производству плутония и крупный ускоритель на объекте Y12. В Лос-Аламосе (штат Нью-Мексико) возвели «атомный город» с лабораториями и заводами по производству атомного оружия. В штате Нью-Мексико был создан и первый полигон Аламогордо для испытания атомного оружия, – вначале он, как и первое испытание (устройства «Штучка», – Gadget) назывался «Тринити» («троица» – были созданы 3 атомных бомбы, которые испытали в Аламогордо и на двух японских городах). В городе Хэнфорде (штат Вашингтон, берег реки Колумбия) построили мощный реактор для производства плутония, Первые атомные бомбы были созданы только тогда, когда эти предприятия были построены и смогли «наработать» необходимое для бомб количество расщепляющих материалов – плутония-239 и оружейного урана-235. И когда в лабораториях Лос-Аламоса отработали и создали конструкции первых атомных устройств «Штучка» (Gadget), бомбы «Малыш» (Little Boy) и «Толстяк» (Fat Man). Главным был процесс наработки расщепляющихся материалов, – остальные процессы тоже были сложны, но они потребовали меньшего времени и меньших промышленных мощностей).

Обогащённый до концентрации не менее 90 % изотопа урана-235 (т. е. примерно в 129 раз по сравнению с природным ураном) являлся оружейным ураном для атомных бомб. А обогащённый до 25–30 % уран используется в реакторах на быстрых нейтронах, которые способны воспроизводить и размножать ядерное топливо для использования его в подобных реакторах. Менее обогащённый до 3–5 % уран позже стали использовать в реакторах на медленных (тепловых) нейтронах для получения плутония-239. Уран с таким низким обогащением можно использовать в реакторах с замедлителем обычной, а не тяжёлой водой. На первых этапах в реакторах на медленных нейтронах для получения плутония-239 использовали природный, не обогащённый уран и замедлитель нейтронов из чистого графита. Замедленные графитом нейтроны отражались и или поглощались ядрами урана-238 с превращением «по цепочке» в плутоний-239, или делили ядра урана-235, поддерживая течение цепной ядерной реакции с большим выделением нейтронов. Поэтому в реакторе с замедлителем оказалось возможным получить цепную ядерную реакцию при достаточном количестве урана и замедлителя.

Американцы вели работу по нескольким направлениям, не считаясь с затратами. Лабораторные установки давали микроскопические количества урана-235, а для создания атомных бомб требовались огромные мощности обогатительных заводов. Например, чтобы собрать нужное для бомбы количество Урана-235 пришлось создать огромный ускоритель на заводе Y-12 в Ок-Ридже (Oak Ridge), штат Теннесси. На этом заводе для установки «Каллютрон» (Culutron) электромагнитного разделения изотопов урана потребовалось 14,7 тысяч тонн медной проволоки, но получить такие «лимиты» в условиях войны не удалось. Тогда решили закупить и сделать проволоку примерно из такого же количества серебра, поскольку Казначейство располагало несколькими десятками тысяч тонн. Для этого взяли огромный кредит в ФРС США на сумму 300 млн. долларов, – и их ФРС выделила. В «Каллютроне» разделение изотопов производилось путём отклонения ионизированных молекул в магнитном поле. Более лёгкие молекулы с ураном-235 отклонялись по траекториям с другим радиусом и улавливались мишенью. На «Каллютроне» после ввода его на полную мощность производили 400 г оружейного урана-235 в сутки. Позже электромагнитную технологию использовали для получения изотопов других элементов, – в первую очередь, ЛИТИЯ-6 для термоядерного оружия. «Каллютрон» создал Э. О. Лоуренс – изобретатель циклотрона, – он первым в мире превратил «линейные» ускорители элементарных частиц в ускорители с замкнутой круговой, овальной или спиральной катушкой из магнитов, позволившей ускорять частицы до высоких энергий при движении «по кругу». Причём чем большей была эта «катушка» и чем сильнее в ней магнитное поле, – тем до больших энергий удавалось ускорять частицы. Разновидности таких огромных ускорителей использовали и для исследовательских, и для производственных целей.

Операторы Calutron на заводе Y-12 в Ок-Ридже по обогащению урана (США). Глэдис Оуэнс, сидящая справа на переднем плане, не знала, чем она занимается на работе (здесь она работала 8 месяцев), до того, как увидела эту фотографию 50 лет спустя на общественной выставке

Циклотрон Calutron Лоуренса на заводе Y-12 в Ок-Ридже, штат Тенесси, – на его катушки ушло 14 700 тонн серебра

Методом газовой диффузии обогащённый уран для бомбы «Малыш» получили на заводе К-25, но первоначальное обогащение всего на уровне 7 % после запуска этого завода оказалось недостаточным, – надо было обогатить уран до 90–92 % содержания Урана-235. Для первой атомной бомбы этот процент обогащения получили на «Каллютроне». Такая технология оказалась слишком долгой и затратной (особенно по затратам электроэнергии), и для массового производства атомных бомб далее не применялась. Путём наращивания дополнительных каскадов машин газодиффузионную технологию «довели» до выхода на них оружейного урана-235 как в США, так и в СССР (с отставанием на 5 лет – ниже об этом рассказано).

Завод К-25 в Ок-Ридже был первым крупным заводом по обогащению урана. Его строительство началось в июне 1943 года, и в начале 1945 уже было завершено. К этому времени К-25 стал крупнейшим сооружением мира и самым дорогим сооружением в рамках Манхэттенского проекта. Расходы только на строительство составили 512 миллионов долларов. К огромным по масштабам строительным работам привлекли одновременно множество строительных фирм. Сооружение выполнено в форме большой буквы U длиной 800 м и шириной 300 м. Таким образом, по занимаемой площади К-25 превышает Пентагон примерно в 2 раза (площадь Пентагона 116 тыс. кв м, а каждая из сторон его фасада: 281 м). В 1954 году Ок-Ридж потреблял 10 % электроэнергии, вырабатываемой в США. Строительство начали раньше, чем разработали саму технологию газовой диффузии. В 1944 году в здании работало более 25 тыс. человек. Большая часть из них не знала, над чем они работают. Чтобы разместить рабочих в непосредственной близости был сооружён микрорайон Happy Valley, в котором сначала 15 000 рабочих жили в жилищных вагончиках. Производство прекратили в 1987 году, а в 2010 году здание разобрали. После дезактивации только небольшой, наименее заражённый участок здания в основании U сохранили в качестве музея. Фото завода, Ок-Риджа и сноса завода – см. https://specnazspn.livejournal.com/1647131.html.

Корпуса завода К-25 в Ок-Ридже (на пике работ: 100 000 рабочих)

Завод К-25 с корпусами «километровой» длины, в которых на нескольких этажах установлены многие тысячи газодиффузионных машин

Главный диспетчерский пост завода К-25 в Ок-Ридже

Ок-Ридж 21 апреля 1959 года – город, возникший на месте полупустыни

Первый американский экспериментальный уран-графитовый ядерный реактор «Чикагская поленница» (Chicago Pile-1, CP-1) Энрико Ферми запустил и первым в мире получил на нём цепную ядерную реакцию 2 декабря 1942 года под западными трибунами стадиона «Стат Филд» в Чикаго. Реактор позволил изучить процессы управления реакторными установками. Но перед созданием крупных реакторов американцы в Ок-Ридже возвели ещё один небольшой экспериментальный реактор «Х-10», который достиг критического состояния в ноябре 1943 г. Американцы на нём обнаружили отличие в составе плутония, полученного на ускорителях, от плутония, полученного из реакторов. Оказалось, что различие состояло в разном содержании изотопа плутония-240. Этот изотоп из-за излучения нейтронов, в частности, изменял условия инициирования ядерного заряда, – «пушечная схема» атомной бомбы для плутония не годилась.