Тайная история атомной бомбы - Джим Бэгготт

По сценарию

Экспериментальный реактор Х-10 в Ок-Ридже представлял собой промежуточное звено между первым реактором из Чикаго и крупными реакторами, которые конструировались в Хэнфорде. Чикагский реактор генерировал совсем мало энергии — не больше ватта. Х-10 давал уже миллион ватт. Три хэнфордских реактора, обозначенные В, D и F, были созданы и эксплуатировались в Дюпоне. Они были рассчитаны на 250 миллионов ватт. Каждый реактор состоял из графитового цилиндра размером 8,5 на 11 метров, весил около 1200 тонн и содержал 2004 равноудаленных алюминиевых трубки, просверленные по всей длине. В этих трубах помещались урановые элементы — цилиндры диаметром около 2,5 см, заключенные в алюминиевую оболочку. В трубы накачивалась охлаждающая вода. Она обтекала урановые элементы со скоростью около 280 000 литров в минуту. Реактор предназначался исключительно для производства плутония — никаких попыток улавливания тепловой энергии, выделяемой реактором, и преобразования ее в электричество не предпринималось.

15 сентября 1944 года Ферми контролировал загрузку в хэнфордский реактор урановых топливных стержней и довел его до «сухого» критического состояния, чтобы механизм функционировал в режиме, близком к нижнему пороговому значению, и не требовал воды для охлаждения. Затем хэнфордские физики добавляли в реактор новые стержни и проводили следующие эксперименты. Все было в порядке. Реактор работал именно так, как следует. На полную мощность он заработал 26 сентября.

В начале 1942 года к работавшей в «Метлабе» группе Вигнера присоединился Джон Уилер. В марте 1943-го он переехал в дюпонский комплекс в город Уилмингтон штат Делавэр. Годом позже он снова сменил место работы, на этот раз оказавшись в Хэнфорде. Уилер проводил возле реактора бессонные ночи, выполняя роль «сиделки». Как-то раз в конце недели, в ночь на 26-е число, Уилер решил пойти домой и все-таки выспаться. Утром он обнаружил, что в его отсутствие не все шло по плану, «реактор работал не по сценарию».

Реактор запустился как обычно и выделил рекордное количество энергии — около девяти миллионов ватт. Потом реактивность стала падать. Когда выход энергии стал снижаться, техники попытались восстановить его, немного вытащив из реактора кадмиевые регулирующие стержни. «Ощущение было такое, как будто ведешь машину по ровной дороге и двигатель начинает барахлить, — писал Уилер впоследствии, — и ты все сильнее жмешь на педаль газа, чтобы поддерживать скорость; но педаль уже в пол — а машина все равно замедляется». К середине дня 27 сентября регулирующие стержни практически целиком вынули из реактора, чтобы он продолжал работать. Вечером стержни извлекли полностью, и все же реактор остановился.

Ферми предполагал, что в реактор могла затечь вода, но Уилер считал, что причина в чем-то другом. Всего через несколько недель после перехода в «Метлаб» он написал доклад о возможности «самоотравления» реактора собственными продуктами реакции.

Когда в 1938 году Ган и Штрассман обнаружили, что в результате бомбардировки урана нейтронами синтезируется барий, они открыли стабильный конечный продукт долгой и сложной серии ядерных реакций. Когда уран-235 захватывает нейтрон, делится нестабильное ядро урана-236. В ходе одной из возможных ядерных реакций получается цирконий (Zr-98), теллур (Те-135) и три нейтрона. Изотоп циркония радиоактивен, из него получается ниобий, а затем молибден. Аналогично радиоактивный изотоп теллура распадается сначала до йода, потом до ксенона, далее — до цезия и наконец до бария.

Уилер решил, что если один из продуктов этих реакций имеет высокое сродство к нейтронам, то он будет ингибировать ядерную реакцию, поглощая свободные нейтроны до тех пор, пока их не станет слишком мало и реакция остановится. Чем больше синтезируется «яда», тем сложнее поддерживать производительность реактора. В конечном счете «яд» подавит реакцию и реактор остановится. В апреле 1942 года Уилл ер сделал еще некоторые расчеты и пришел к выводу, что самоотравление может стать серьезной проблемой лишь в том случае, если один из промежуточных продуктов реактора имеет сильный «аппетит» на медленные, «термические» нейтроны, причем интенсивность захвата нейтронов у такого продукта должна быть примерно в 150 раз выше, чем у самого урана-235.

После проверки реактора «В» оказалось, что воды в нем нет. Теперь наиболее очевидной причиной его остановки представлялось самоотравление. Вскоре после полуночи с 27 на 28 сентября работа реактора возобновилась — около полудня он вновь выдавал девять миллионов ватт, а потом реакция снова стала затухать. Это явление, в свою очередь, свидетельствовало, что «яд» также радиоактивен и имеет период полураспада около 11 часов — примерно столько времени понадобилось, чтобы восстановить работу реактора. Уилер проверил таблицу измеренных значений полураспада и обнаружил ядерного паразита. Это был изотоп ксенона Хе-135. Позже выяснилось, что он захватывал нейтроны примерно в 4000 раз активнее, чем уран-235.

После того как проблему обнаружили, устранить ее оказалось относительно просто. Разумеется, физику ядерных реакций изменить было невозможно. Реактор в любом случае синтезировал бы ксенон-135 и сам себя отравлял. Решение было в следующем: в реактор понемногу добавляется урановое топливо — в результате при реакции будет гарантированно генерироваться больше нейтронов, чем сможет поглотить ксенон при равновесной концентрации. К счастью, конструкция реактора допускала такие незапланированные доработки. Для просверливания дополнительных трубок требовались бы значительные затраты и остановка реактора. Предусмотрительность Уилера себя оправдала. Необходимое урановое топливо можно было добавлять в реактор без кардинальных конструкторских изменений.

Хэнфордский реактор «D» достиг критической точки 17 декабря 1944 года, а восстановленный реактор «В» повторно дошел до критической точки одиннадцатью днями позже. Критическая точка реактора «F» была достигнута в феврале 1945 года. 4 февраля реакторы достигли проектной выходной мощности в 250 миллионов ватт. Теперь производство плутония шло полным ходом. Теоретически предполагалось получать 21 кг плутония в месяц. Гровс торжествовал: согласно предварительным оценкам, во второй половине 1945 года в распоряжении США будет достаточно плутония, чтобы собрать 18 атомных бомб.

Сжатие твердого ядра

Но плутоний оставался бесполезен, пока не был найден способ его взорвать. Руководимый Кистяковским отдел «X» хорошо поработал зимой 1944–1945 года. Леса, окружавшие Лос-Аламос, гудели от бесконечной череды взрывов, происходивших все чаще по мере того, как ученые наращивали свои эксперименты. Группа расходовала примерно по тонне фугасной взрывчатки ежедневно, наполняя ею формы и создавая кумулятивные заряды, каждый из которых весил около 23 килограммов и требовал при обработке ювелирной точности.

Изучая имплозию, исследователи из отдела «G» разработали серию диагностических испытаний: в них можно было проверить, насколько симметричной получалась взрывная волна. Кроме экспериментов Ra-La, которыми занимался Холл, ученые также применяли рентгеновскую съемку, высокоскоростное фотографирование и измерение магнитных полей. Фон Нейман разработал разновидность взрывных линз, состоявших из быстро сгоравшего внешнего слоя и медленно горевшего внутреннего компонента — вместе они действовали как увеличительное стекло, формируя контуры взрывной волны и направляя ее прямо к ядру бомбы. Каждая линза преобразовывала волну от исходного взрыва из сферической, распространяющейся во все стороны, в сферическую, сходящуюся к центральной точке. Второй слой быстро сгоравшего топлива наращивал и усиливал взрывную волну.

7 февраля испытания Ra-La показали гораздо более обнадеживающие результаты, хотя сферического сжатия твердого ядра пока достичь не удалось. Прогресс был налицо, но темпы разработки линз по-прежнему отставали от плана. 28 февраля состоялось совещание, на котором присутствовали в том числе Оппенгеймер, Гровс, Конэнт, Бете и Кистяковский. На совещании ученые окончательно определили химический состав взрывных линз и общие принципы конструирования плутониевой бомбы. 1 марта Оппенгеймер создал комитет «Ковбой», руководить которым стал физик Сэмюэл Эллисон, недавно освобожденный от работ в «Метлабе». Кроме него в комитет вошли Бэчер и Кистяковский. Задачей комитета было «гнать процесс» на заключительных стадиях разработки плутониевой бомбы. Через несколько дней работы по дальнейшему усовершенствованию взрывных линз Оппенгеймер приказал остановить.

Кистяковский не доверял Эллисону и считал, что Оппенгеймер приказал новоприбывшему коллеге наблюдать за ним. Давление возрастало, нервы начинали сдавать. Хотя в Ок-Ридже уже надежно наладили производство оружейного урана-235, до вероятного конца войны вряд ли удалось бы создать даже одну бомбу. В Хэнфорде уже полным ходом производили плутоний, которого хватило бы на несколько бомб. Но обычная пушечная схема детонации не могла применяться с реакторным плутонием. Теперь все зависело от успеха работ с имплозией. Кистяковский, химик в элитарном коллективе физиков, оказался на своеобразной «линии фронта», которая пролегала между научными дисциплинами. «На этом совещании высшего уровня, где я был единственным химиком, мне пришлось сказать Оппи: „Вы все накинулись на меня, потому что я не физик“. Оппенгеймер ответил на это с улыбкой: „Джордж, вы просто выдающийся третьесортный физик“».