Тайная история атомной бомбы
Шрифт:
В начале апреля на Холме собралось около 30 физиков. Оппенгеймер не терял времени и быстро завербовал «светил», с которыми в прошлом году работал в летней школе. Среди них были Бете, Блох, Теллер и Сербер. Кроме того, он пригласил молодого физика из Принстона — Ричарда Фейнмана. Фейнман отлично играл на барабанах бонго, чем произвел неизгладимое впечатление на Теллера, жившего в соседней комнате.
Фейнман был молод (11 мая ему исполнялось 25 лет), не по годам развит и просто болел физикой. Сейчас он впервые встречался с коллегами, имена которых он знал только со страниц журнала Physical Review. Но поразить его было нелегко. Фейнман быстро приобрел известность среди сотрудников благодаря своим свободным беседам с Бете. Ганс нуждался в таком стимулирующем факторе — он не только приветствовал поведение Фейнмана, но и сделал его лидером своей группы.
Еще один физик, которого Оппенгеймер желал видеть в Лос-Аламосе, — Ферми. Но труд над ураново-графитовым реактором в Чикаго был для итальянского штурмана слишком важным, чтобы отказаться от него и переехать в Лос- Аламос. Оппенгеймер же не мог отказаться от ценного ресурса в виде глубокого понимания экспериментальных методов и озарения Ферми. В итоге ученые достигли компромисса: Ферми работает в качестве удаленного консультанта и при необходимости приезжает в Лос-Аламос.
Оппенгеймер хотел назначить своим заместителем Раби, но тот занимался радаром в МТИ и считал эту задачу более важной, чем попытки построить на фундаменте трех столетий славной физической истории оружие массового поражения. Хотя у Раби были иные причины для отказа, нежели у Ферми, Оппенгеймер смог и его убедить работать в таком же удаленном режиме. Немного поколебавшись, Раби также стал консультантом Лос-Аламоса.
15 апреля в пустой библиотеке состоялось первое собрание физиков Лос-Аламоса и Сербер прочитал первую часть вступительных лекций. Гровс при этом сделал несколько пессимистических замечаний. Казалось, он уже готовился к провалу и подумывал, что скажет в Конгрессе на заседании
Комиссии по атомной энергии, которое обязательно состоится и на котором обязательно выяснят, на что Гровс растратил такие деньги.
После этого Сербер прочитал первый доклад с итогами деятельности летней учебной группы и результатами работ за последний год по делению ядер быстрыми нейтронами. Сербер слыл не самым лучшим оратором, но в данном случае содержание было гораздо важнее формы. «Цель проекта, — говорил Сербер, — создание реального боевого оружия в форме бомбы, энергия в которой высвобождается в результате цепной реакции на быстрых нейтронах в одном или более веществах, характеризующихся атомным распадом» [95] . На лекции многие ученые из-за предшествовавшей изоляции до этого момента не имели целостного представления о том, чем они занимались. Одни догадывались о деталях. Другие только о чем-то слышали. Теперь всем им предстояло подготовиться к решению гораздо более масштабной задачи.
95
Лекции Сервера исправно записал Эдвард Кондон, первый помощник Оппенгеймера в лаборатории. Затем конспекты лекций издали одним томом — получилась вводная работа, известная под названием «Лос-аламосский букварь». Этот документ рассекретили и опубликовали в 1992 году.
На первый взгляд казалось, что сконструировать атомную бомбу достаточно просто. Берется два куска урана-235 или плутония докритической массы, чтобы вместе они составили массу значительно выше критической, и при получении такой суммарной массы происходит взрыв. Но перед тем как это случится, предстояло решить совсем не тривиальные проблемы.
Первая была связана с эффективностью. На данном этапе необходимая критическая масса урана-235 оценивалась в 200 килограммов — многовато для снаряда, который нужно сбросить с бомбардировщика. Исследователи предложили увеличить КПД устройства, а для этого уменьшить массу активного вещества, для чего активное вещество предлагалось заключить в «отражатель нейтронов» — оболочку из урана-238 или золота, которая позволила бы возвращать вылетающие нейтроны обратно в активное вещество. В случае с ураном-235 такой отражатель позволит снизить критическую массу примерно до 15 килограммов. Для плутония, заключенного в отражатель из урана-238, критическая масса составит всего 5 килограммов.
Однако критическая масса — это минимум, при котором возникает цепная ядерная реакция, для боевой же бомбы активного вещества потребуется значительно больше. Было уже ясно, что это количество превысит критическую массу, и его стали называть «сверхкритической» массой [96] .
96
На самом деле эффективность бомбы (она равна отношению количества вещества, распадающегося при взрыве, и общего количества ядерного топлива) пропорциональна кубу разницы между общей массой бомбы и критической массой.
Очень важно было рассчитать время. Оценки показывали, что 1 килограмма урана-235 распадается за миллионную долю секунды, причем энергия взрыва составляет 20 ООО тонн в тротиловом эквиваленте, а вызванная взрывом начальная температура сравнится с температурой тысячи солнц. При таких температурах уран сразу же испарится, газообразное вещество быстро рассеется, из-за чего будет все сложнее поддерживать цепную реакцию. В определенный момент пар достигнет «вторичной критической точки»: количество нейтронов, высвобождаемых в результате распада, сравняется с количеством нейтронов, покидающих зону реакции. На этом детонация и взрывное высвобождение энергии завершится.
Если компоненты соединятся слишком медленно и сверх- критическая масса взорвется преждевременно (и тут же разлетится в разные стороны), взрыв получится значительно более слабый. Одно из решений этой проблемы заключалось в следующем. Цилиндрической пробкой из активного вещества (ее окрестили затравкой) нужно выстрелить в сферу, имеющую докритическую массу. Таким образом, их суммарная масса превзойдет критическую. Следуя терминологии физиков из «Трубных сплавов», такой метод получения сверхкритической массы назвали «пушечным».
На ранних этапах конструирования бомбы пришлось столкнуться с еще одной неясностью. Куски активного вещества должны соединиться достаточно быстро, чтобы не произошло преждевременной детонации; относительная скорость элементов при этом должна была составлять около 100 ООО сантиметров в секунду или более. Максимальная начальная скорость снарядов в неядерных видах оружия составляла около 96 ООО сантиметров в секунду при весе снаряда 22,5 килограмма. Такими показателями обладала пушка, стоявшая на вооружении армии США, с калибром 120 миллиметров, длиной ствола 6,4 метра, весом 5 тонн. Если предположить, что «затравка» с ураном-235 должна быть в два раза тяжелее, соответственно, нужна и в два раза более тяжелая пушка. Следовательно, «стрелять» бомбой, начиненной ураном-235, следовало из пушки, которая весит 10 тонн.
Далее следовал вопрос об инициирующем заряде для бомбы. Несмотря на обеспокоенность преждевременной детонацией, а также на «тление» ядерного топлива из-за естественного распада урана или спонтанного отрыва частиц от атома под воздействием космических лучей (состоящих из заряженных частиц, бомбардирующих Землю из Космоса), нельзя было с уверенностью утверждать, что простая сборка компонентов в единый кусок со сверхкритической массой уже приведет к цепной реакции. Для запуска цепной реакции в веществе должны появиться подходящие нейтроны, причем в подходящий момент. От космических лучей ядро бомбы можно защитить специальным экраном, а чтобы избежать преждевременной детонации, которую могут вызывать нейтроны, выделяющиеся при естественном распаде урана, решили применять высокие начальные скорости слетающихся компонентов.
Сербер предлагал использовать в качестве инициирующего заряда цепной реакции небольшое количество бериллия и полония. Как и радий, полоний радиоактивен, он излучает альфа-частицы, которые могут высвобождать нейтроны бериллия. Этот метод использовался для получения свободных нейтронов задолго до создания первого циклотрона [97] . Идея заключалась в том, чтобы изолировать полоний и бериллий друг от друга специальным экраном до того момента, пока не выстрелит «затравка». «Пушечный» выстрел должен смешать оба компонента инициирующего заряда, вызвав резкий выброс нейтронов как раз в момент достижения сверх- критической массы.
97
Фриш в ходе своих экспериментов, в результате которых он обнаружил спонтанный распад урана, использовал смесь радия и бериллия.