Генри Смит - Атомная энергия для военных целей

12.6. Естественно, что задача собирания необходимой аппаратуры, машин и оборудования оказалась огромной. Три грузовика с аппаратурой из Принстона удовлетворили часть наиболее острых потребностей. Вскоре прибыли циклотрон из Гарварда, два генератора Ван-де-Граафа из Висконсина и высоковольтная установка Кокрофта-Уолтона из Иллинойса. В качестве иллюстрации быстроты, с которой была создана лаборатория, мы можем отметить, что нижний полюс электромагнита циклотрона был установлен 14 апреля 1943 г., а в начале июля уже проводился первый эксперимент. Приобреталось множество других приборов, были выстроены вспомогательные лаборатории, и в настоящее время эта лаборатория является, по всей вероятности, лучшей в мире по своему оборудованию физической лабораторией.

Лаборатория финансировалась по договору, заключенному между Манхэттенским Округом и Калифорнийским университетом.

УРОВЕНЬ ЗНАНИЙ В АПРЕЛЕ 1943 ГОДА

12.8. В главе II мы установили общие условия, необходимые для получения саморазвивающейся цепной реакции. Было указано, что имеются четыре взаимно конкурирующих процесса, в которых принимают участие нейтроны: (1) захват нейтронов ураном, приводящий к делению последнего; (2) захват нейтронов ураном без деления; (3) захват примесями и (4) вылет нейтронов из системы. Условием получения такой цепной реакции служит то, что в процессе (1) будет возникать столько же новых нейтронов, сколько их расходуется или теряется во всех четырех процессах, вместе взятых. Указывалось, что процесс (2) можно ослабить устранением изотопа U-238 или применением решетки и замедлителя; процесс (3) можно ослабить достижением высокой степени химической чистоты; процесс же (4) можно ослабить (относительно) увеличением размеров системы. В наших прежних обсуждениях цепных реакций всегда предполагалось, что цепная реакция не должна сопровождаться взрывом системы. Теперь же мы хотим посмотреть, что надо сделать, чтобы заставить систему взорваться.

12.9. По определению, взрыв есть внезапное и бурное выделение (в небольшом объеме) большого количества энергии. Для эффективного взрыва атомной бомбы части ее не должны заметно отодвинуться друг от друга, прежде чем выделится значительная часть имеющейся в наличии ядерной энергии, так как расширение приводит к увеличению вылета нейтронов из системы и следовательно, к преждевременному прекращению цепной реакции. Иначе говоря, эффективность атомной бомбы зависит от отношения: (а) скорости, с которой нейтроны, освобожденные первыми делениями, проникают в другие ядра и вызывают дальнейшие деления и (b) скорости, с которой бомба разлетается на части. Пользуясь известными законами выделения энергии, повышения температуры и давления, расширения твердых тел и газов, можно было оценить порядок промежутка времени между началом и концом ядерной цепной реакции. Почти все технические трудности Проекта связаны с необычайной малостью этого интервала.

12.10. В предыдущих главах мы установили, что саморазвивающаяся цепная реакция не может быть вызвана в массе чистого металлического урана, независимо от ее размеров, из-за паразитного захвата нейтронов ураном-238. Это заключение было результатом различных теоретических вычислений, а также прямого эксперимента. Чтобы получить невзрывающийся котел, можно применить решетку и замедлитель, что в достаточной мере уменьшает паразитные захваты. Для осуществления взрывающейся системы этот прием, как оказалось, неудовлетворителен в двух отношениях. Во-первых, процесс на тепловых нейтронах развивается столь медленно, что в результате получился бы лишь слабый взрыв. Во-вторых, котел получается слишком большим для транспортировки. Поэтому для осуществления взрывающейся системы необходимо исключить паразитный захват, удалив большую часть U-238, или применив плутоний.

12.11. Эти общие положения, как и многие другие, были твердо установлены еще до возникновения Лос-Аламосского проекта.

12.12. Вычисление критических размеров является проблемой, которую мы уже обсуждали в связи с вопросом о котлах. Хотя расчет для однородного металла проще, чем для решетки, но в начальном периоде работы оставались неточности, обусловленные как недостаточно точным знанием постоянных, так и математическими трудностями. Так, поперечные сечения рассеяния, деления и поглощения нейтронов ядрами, участвующими в реакции, меняются со скоростью нейтронов. Детали этих изменений не были известны экспериментально и крайне трудно учитывались при расчетах. Весной 1943 г. на основе использования различных методов вычисления и наиболее надежных ядерных постоянных были высказаны некоторые суждения о критических размерах, но все же пределы ошибок оставались большими.

12.13. Критические размеры урано-графитового котла могут быть значительно уменьшены, если он окружен слоем графита, так как эта оболочка отражает много нейтронов обратно в котел. Подобную оболочку можно применить и для уменьшения критических размеров бомбы, однако, здесь она играет еще дополнительную роль: ее собственная инерция задерживает расширение реагирующего материала. Применение ее приводит к более длительному, более энергичному и эффективному взрыву. Наиболее эффективной является оболочка, имеющая максимальную плотность: высокая прочность на разрыв оказывается несущественной. Благодаря счастливому совпадению, материалы высокой плотности одновременно являются и превосходными отражателями нейтронов.

12.14. Как уже отмечалось выше, бомба во время реакции стремится разлететься на куски, что ведет к прекращению реакции. Подсчет, насколько должна расшириться бомба, прежде чем реакция прекратится, относительно прост. Подсчет же времени этого расширения и сколь далеко заходит за это время реакция — гораздо труднее.

12.15. Оболочка должна увеличивать коэффициент полезного действия как из-за отражения нейтронов, так и из-за задержки в расширении бомбы, но оказывается, что ее действие на КПД не столь велико, как на критическую массу. Причина этого в том, что процесс отражения требует относительно большого времени и не может широко развиться до момента окончания реакции.

12.16. Как было установлено в главе II, невозможно предотвратить возникновение цепной реакции, если размеры бомбы превосходят критические. Дело в том, что всегда имеется достаточно нейтронов для начала цепной реакции (нейтроны от космических лучей, от спонтанных делений или от реакций в примесях, вызванных α-частицами). Таким образом, пока детонация нежелательна, бомба должна состоять из некоторого числа отдельных частей, каждая из которых меньше критической (или по малости геометрических размеров, или вследствие неподходящей формы). Чтобы вызвать детонацию, отдельные части бомбы нужно сблизить достаточно быстро вместе. Из-за присутствия блуждающих нейтронов цепная реакция может начаться уже во время этого сближения, еще до того момента, как бомба достигла наиболее компактной, т. е. наиболее благоприятной для реакции формы. В этом случае взрыв будет мешать бомбе достигнуть этой наиболее компактной формы. Может случиться, что он будет совсем неэффективен. Возникает поэтому двойная задача: (1) уменьшить до минимума время сближения частей бомбы и (2) уменьшить до минимума число блуждающих нейтронов.

12.17. Опасность получения «хлопка», т. е. детонации столь малой эффективности, что даже сама бомба окажется разрушенной неполностью, также подвергалась рассмотрению. Это было бы, конечно, весьма нежелательно, так как дало бы в руки врага запас весьма ценного материала.

12.18. В главах II и IV указывалось, что количество выделяющейся энергии не является единственным критерием ценности бомбы. Нет никакой уверенности в том, что урановая бомба, выделяющая энергию, равную энергии взрыва 20 000 тонн тринитротолуола, будет столь же эффективна в отношении вызываемых ею разрушений, как, скажем, 10 000 двухтонных бомб. Есть основания думать, что разрушительное действие на каждую освобождаемую калорию уменьшается с увеличением общего количества освобождающейся энергии. С другой стороны, в атомных бомбах общее количество освобождающейся энергии на килограмм делящегося материала (т. е. КПД освобождаемой энергии) увеличивается вместе с размерами бомбы. Таким образом, определить оптимальные размеры атомной бомбы оказалось нелегко. Вопрос усложняется еще тем, что, с точки зрения тактики, существенным преимуществом является возможность мгновенного разрушения большой площади вражеской территории. При полной оценке эффективности атомной бомбы необходимо учитывать и ее действие на психику (Остальная часть параграфа взята из сообщения Военного министерства по поводу первого применения атомной бомбы против Японии.).