Атомный проект. История сверхоружия - Антон Первушин

Кроме того, пока оставалось неясным, будет ли эффективен «пушечный» метод в плутониевой бомбе. На тот момент ученые слишком мало знали о физических свойствах нового элемента (в частности, о спонтанном распаде и о преждевременной детонации), чтобы делать какие-то выводы. Если плутоний покажет выраженную тенденцию к преждевременной детонации, начальной скорости заряда не хватит даже при выстреле из самой большой пушки. Плутониевая «затравка» войдет в докритическую массу слишком медленно, чтобы вызвать взрыв. В отличие от «пушечного» метода, имплозия позволяла собрать сверхкритическую массу быстрее и надежнее. Более того, Эдвард Теллер предположил, что докритическую массу плутония в сверхкритическую способна сжать сильная взрывная волна: обычный взрыв буквально спрессует элементы бомбы, после чего уже последует атомный взрыв.

Математик и физик Джон фон Нейман показал, что ударная волна должна быть практически идеальной сферой с погрешностью не более 5 %. В начале июля Сет Неддермейер приступил к небольшим имплозивным экспериментам, которые проходили на плато к юго-востоку от лаборатории Лос-Аламос. Опыт выглядел так. Обычные взрывчатые вещества, обернутые вокруг коротких отрезков трубы, подрывали, и в итоге трубы должны были тесно сблизиться друг с другом, образуя таким образом плоские металлические слитки. Сначала результаты были неудовлетворительными: трубы кривились и сгибались – это означало, что ударная волна имеет неправильную форму.

Согласно расчетам, урановая или плутониевая бомба, основанная на «пушечном» методе, должна быть длинной и тонкой – 5 метров в длину и примерно 60 сантиметров в диаметре. Роберт Сербер назвал эту модель «Худыш» – как персонажа одноименного детективного романа Дэшила Хэммета, написанного в 1933 году. Предполагалось, что плутониевая имплозивная бомба, если имплозию действительно удастся осуществить, должна быть около 3 метров в длину и чуть больше 1,5 метра в диаметре. Такую бомбу Роберт Сербер назвал «Толстяком» в честь Каспера Гатмена – персонажа, сыгранного Сидни Гринстритом в фильме «Мальтийский сокол» по роману все того же Дэшила Хэммета.

Испытания по сбросу бомб таких размеров с бомбардировщика «Б-29» начались в августе 1943 года. Крупномасштабное производство самолетов этой модели для военных целей в Америке только начиналось, и машину требовалось усовершенствовать – так, чтобы она могла донести бомбы до цели. В ходе экспериментов нужно было определить, какие именно изменения понадобится внести в конструкцию самолета. Для сохранения секретности при телефонных разговорах авиационные служащие говорили о самолетах так, как будто они предназначались для перелетов Франклина Рузвельта («Худыш») и Уинстона Черчилля («Толстяк»).

В это время итальянский физик Эмилио Сегре сделал открытие, значительно приблизившее день создания атомной бомбы. В декабре 1943 года он обосновался в небольшом деревянном домике в укромном каньоне Пахарито в нескольких милях от основной лаборатории. Здесь Сегре повторял эксперименты, направленные на изучение спонтанного деления ядер природного урана, которые ранее проводил в Беркли. В целом результаты были такими же, но явно указывали на большее содержание урана-235. Сегре попытался выяснить почему. Оказалось, что дело в высоте. На плато (2225 метров над уровнем моря) образцы Сегре рассеивали гораздо больше нейтронов – из-за воздействия космических лучей, проникавших через верхние слои атмосферы. Чем ближе к верхним слоям атмосферы находился образец, тем больше нейтронов рассеивалось и тем выше была скорость деления. В Беркли удавалось получить гораздо меньше рассеянных нейтронов, так как по отношению к уровню моря город располагался ниже. Это означало, что, если защитить бомбу от рассеянных нейтронов, риск ее преждевременной детонации значительно снизится. Материал активной зоны может быть гораздо менее чистым, чем предполагалось ранее. Кроме того, можно снизить начальную скорость заряда в пушке, требуемую для сбора сверхкритической массы, а значит, можно уменьшить длину ствола и сделать бомбу гораздо компактнее. С 5 метров (длины «Худыша») размер бомбы теперь уменьшился примерно до 1,8 метра. Новая модель получила название «Малыш» – младший брат «Худыша».

Но оставалось еще одно. Согласно оценкам Эрнеста Лоуренса, за время, отведенное на «Манхэттенский проект», можно выделить такое количество урана-235, которого хватит лишь на одну бомбу. Нельзя угрожать атомной бомбой, не имея ее в наличии. Допустим, союзники по антигитлеровской коалиции используют атомную бомбу в начале 1945 года, но они не смогут подкрепить ее разрушительный эффект угрозой повторного применения. Или придется пойти на очень опасный блеф. А что, если немцы ответят собственной бомбой?..

В Ок-Ридже действовал небольшой экспериментальный ядерный реактор – «Х-10», впервые достигший критической массы в ноябре 1943 года. Он предназначался для производства плутония, который собирались применять в лабораторных опытах. И, работая на этом реакторе, физики из Лос-Аламоса обнаружили проблему, которая поставила под сомнение само существование плутониевой бомбы. Оказалось, что свойства плутония из «Х-10» значительно отличаются от свойств микроскопических доз плутония, которые были получены в циклотроне. Годом ранее Гленн Сиборг предупреждал о том, что плутоний, производимый в реакторе, может содержать небольшие количества изотопа плутоний-240, образующегося из плутония-239 после захвата еще одного нейтрона. Сиборг был прав, но ошибся в количестве. Чем дольше плутоний накапливался в реакторе, тем выше становилась доля плутония-240. И этот изотоп оказался очень нестабильным, активно излучал альфа-частицы и был постоянным источником фоновых нейтронов. Считалось, что при применении «пушечного» метода компоненты с докритической массой дают сверхкритическую в течение примерно одной десятитысячной доли секунды. Высокая же скорость спонтанного деления плутония-240 вызовет попадание целого потока нейтронов в собираемую массу еще до достижения оптимальной конфигурации заряда – значит, преждевременная детонация неизбежна. При этом бомба «займется», но не взорвется.

Чтобы очистить плутоний, нужно было отделить плутоний-240 от плутония-239. Из-за того что ядра двух изотопов отличались только на один нейтрон, задача была значительно сложнее, нежели отделение урана-235 от урана-238. Перспектива получить плутоний, а значит, получить доступ к ядерному топливу, которое не требовало трудоемкого разделения изотопов, теперь представлялась совершенно нереальной.

Для обсуждения проблемы Роберт Оппенгеймер встретился 17 июля 1944 года с Джеймсом Конентом, Артуром Комптоном, Энрико Ферми и Лесли Гровсом в Чикаго. Методов очистки плутония, реализуемых на практике, не существовало. Применять же неочищенное топливо в бомбе, сконструированной по «пушечному» принципу, было нельзя. Конент предложил в качестве альтернативы использовать смесь урана с плутонием. Но это будет маломощное оружие, а его взрывная сила не превысит нескольких сотен тонн тротила. Конечно, создав такое оружие, физики получат опыт, необходимый для конструирования более мощных бомб, но Оппенгеймер решительно возразил, что в таком случае в работе возникнет недопустимая задержка. В заключительном отчете, подготовленном на следующий день, он написал:

Представляется целесообразным прекратить интенсивные работы, направленные на получение высокоочищенного плутония, и сосредоточиться на разработке методов, не требующих низкого нейтронного фона. В настоящее время наивысший приоритет следует присвоить имплозивному методу.

Взрывные линзы

Сет Неддермейер и его группа, изучавшая имплозию в артиллерийско-техническом отделе, подошла к проблеме достаточно старательно и академично. «Я чувствовал, что [Оппенгеймер] был очень недоволен тем, что я не спешу с результатами, что я как будто работаю не над военным проектом, а над обыденной научной проблемой», – признавал позже Неддермейер.

Однако решение проблемы имплозии предложил не он, а Джеймс Так – физик из Манчестера, специализировавшийся на кумулятивном эффекте и прибывший в США вместе с другими британскими учеными. Неддермейер пытался создать ударную волну практически идеальной сферической формы, изменяя контуры взрыва, вид взрывчатого вещества, количество детонаторов и их расположение. Взрывная волна, порождаемая точечным детонатором, распространялась по взрывчатому веществу точно так же, как расходятся круги по воде, если бросить в воду камешек. При размещении рядом нескольких детонаторов получались непредсказуемые комбинации сходящихся и расходящихся взрывных волн, как если бы в воду бросили целую горсть камней. Джеймс Так утверждал, что эта проблема не нова: американцы и англичане уже давно разрабатывали бронебойные снаряды, в которых вся взрывная сила заряда направлялась внутрь атакуемой брони, в результате чего образовывались так называемые «взрывные линзы». Эффект возникал по тем же законам, которые действовали при фокусировке световых волн обычными линзами. Оптическая линза влияет на скорость проходящего через нее света так, что в различных частях линзы эта скорость становится разной и свет «собирается» к центру. Взрывная линза состоит из серии зарядов с различной скоростью детонации – в результате взрывная волна «собирается» и фокусируется. Если окружить сферическое плутониевое ядро взрывными линзами, а затем синхронно детонировать все заряды, то, по мнению Джеймса Така, можно получить взрывную волну идеальной сферической формы, направленную точно в центр ядра.