Тайная история атомной бомбы - Джим Бэгготт

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»[105]. 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.

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[106]. В первую очередь нужно было собрать сверхкритическую массу из нескольких докритических компонентов. Компоненты соединятся, вызывая разветвленную (дивергентную) цепную реакцию, при которой свободных нейтронов производится больше, чем поглощается.

Очень важно было рассчитать время. Оценки показывали, что 1 килограмма урана-235 распадается за миллионную долю секунды, причем энергия взрыва составляет 20 000 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 сверхкритическая 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 100 000 сантиметров в секунду или более. Максимальная начальная скорость снарядов в неядерных видах оружия составляла около 96 000 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[107]. 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 сверхкритической массы.

Несмотря на всю простоту «пушечного» метода, Сербер рассматривал и альтернативный, более замысловатый способ сборки критической массы. Этот вариант требовал тщательного анализа. «Допустим, — говорил Сербер, — мы расположим фрагменты по кольцу… Если взрывчатое вещество распределится по кольцу, те фрагменты, в которых начнется реакция, станут слетаться к центру кольца, образуя сферу». Сербер сделал набросок — показал, как будут расположены клинья из активного вещества и отражатели нейтронов. Если эти клинья под действием инициирующего заряда слетятся к центру кольца, то вместе они создадут сверхкритическую массу.

Следующую лекцию читал специалист по баллистике, и на ней слово попросил Сет Неддермейер, молодой физик из Национального бюро стандартов США. Он немного путался в деталях, так как не был специалистом в этой области. Неддермейер предположил, что еще один способ — без пушки — собрать массу активного вещества, необходимую для взрыва, связан с имплозией. Его идея заключалась в том, чтобы сконструировать полую сферу из отдельных элементов активного вещества, а затем «схлопнуть» их к центру сферы силой взрыва обычных взрывчатых веществ (сферу нужно предварительно ими обложить). «Схлопывание» сферы внутрь себя позволит собрать сверхкритическую массу ядерного горючего исключительно быстро.

Его предложение сразу встретили возражения. Чтобы взрывная масса активного вещества собралась в правильную сферу, обычная взрывчатка должна давать ударную волну практически идеальной сферической формы — таков был самый серьезный контраргумент. Сам Оппенгеймер очень критически отнесся к этой идее. Однако ему раньше приходилось ошибаться. После лекции он поговорил с Неддермейером и согласился, что предложенный молодым физиком вариант нужно хотя бы исследовать более подробно. Он сразу же организовал в артиллерийско-техническом отделе специальную группу, которой поручил проводить такие эксперименты, и назначил Неддермейера ее руководителем.

Сербер завершил свои лекции, сформулировав задачу, которую предстояло решить:

Из предыдущего обзора мы видим, что проблемы, требующие преодоления в настоящий момент, тесно связаны с измерением свойств нейтронов в различных веществах, а также с баллистикой. Кроме того, мы должны начать разработку технологий по экспериментальному определению критической массы и по расчету времени, оперируя при этом большими, но докритическими объемами активного вещества.

Любые предположения, что может произойти, если такое оружие действительно будет применено, отошли на задний план. Физики сосредоточились только на тех задачах, которые стояли перед ними здесь и сейчас: нейтроны, преждевременная детонация, критические массы, «пушечный» метод, имплозивные ударные волны. Многие взялись за дело с огромным энтузиазмом.