Создание атомной бомбы в США

В 1942 г. в США при Чикагском университете на базе существовавших ранее групп ученых Ферми, Сцилларда (в Нью-Йорке) и Сиборга (в Калифорнии) было создано научное объединение под руководством американского физика Нобелевского лауреата Артура Комптона с условным наименованием «Металлургический проект».

Программа работ этого объединения предусматривала осуществление управляемой ценной ядерной реакции в уране с графитовым замедлителем и выявление возможностей метода химической экстракции плутония, образующегося в процессе цепной реакции.

В перспективе — создание атомной бомбы. На вес эти работы отводилось три года. Самым выдающимся из подобранной группы ученых был Ферми. Он был среди них главным идеологом, теоретиком и экспериментатором, что редко совмещается в одном ученом. Тогда ему был 41 год.

Ядерный реактор создавался под трибунами стадиона Чикагского университета, на теннисных кортах. 2 декабря 1942 г. в присутствии Ферми, Комптона и Сцилларда состоялся пуск реві,гора, и он начал работать на начальной расчетной мощности 0,5 Вт. Через 12 дней его мощность была доведена до 200 Вт, после чего дальнейшее повышение мощности было сочтено рискованным из-за генерируемого реактором ионизирующего излучения, что было опасным для прохожих и людей, проживающих вблизи спортивной площадки и на противоположной стороне улицы.

Реактор был перемещай за пределы города, в Аргоннскую лабораторию. Здесь же для экспериментального изучения нейтронов были построены еще два реактора. Реактор, построенный в 1943 г., был тоже с графитовым замедлителем и имел единственное существенное отличие от первого. Если у первого реактора активная зона имела форму шара, то у второго она была кубической формы. Другой реактор был построен в 1944 г., где в качестве замедлителя использовалась тяжелая вода, что позволило значительно уменьшить размеры реактора по сравнению с предыдущим.

Для изготовления атомной бомбы летом 1942 г. в США была создана военная организация «Манхеттенский округ инженерных войск». Осуществление этого проекта, известного под названием «Манхеттенский проект» пошло полным ходом, когда во главе его стал бригадный генерал Лесли Гровс (впоследствии генерал-лейтенант). Научным руководителем оставался Комптон.

Для выполнения проекта было выделено около 2 млрд долларов (громадная по тем временам сумма). В конце 1942 г. началось строительство трех объектов: в Ок-Ридже — два завода по разделению изотопов урана и первый экспериментальный графитовый реактор с воздушным охлаждением; в Хэнфорде три крупных графитовых реактора для получения плутония; в Лос-Аламосе — центр исследований (Лос-Аламосская лаборатория) и производство ядерных боеприпасов.

В истории Манхеттенского проекта можно выделить три этапа, имевшие следующие задачи:
1) строительство заводов по обогащению урана легким изотопом и получение урана с высоким содержанием урана-235;
2) строительство заводов по получению вторичного ядерного горючего — плутония-239;
3) создание атомной бомбы. Работа по всем трем направлениям началась практически одновременно.

Решение задачи первого этапа включала закупку урановой руды, получение урановых соединений, пригодных для проведения процесса разделения изотопов и разделение изотопов. В пределах Соединенных Штатов имелись только ограниченные запасы бедной урановой руды. Основное месторождение урановой руды, на которое обратили внимание руководители Манхеттенского проекта, находилось в Африке, в Бельгийском Конго, на расстоянии тысяч километров от побережья океана.

Эти залежи никогда не разрабатывались на полную мощность. В Канаде, в районе Большого Медвежьего озера, также нашлись пригодные для разработки залежи уранинита. Начались разработки урановых рудников. Но Манхеттенский проект ураном уже был обеспечен еще до начала разработок, поскольку свыше 1000 т очень богатой урановой руды, составлявших половину предвоенных урановых запасов Бельгии, было вывезено для сохранности в США. По заключенному в декабре 1944 г. соглашению США обладали формальным правом закупки всего имеющегося в наличии урана в Бельгийском Конго.

Второй проблемой, которую нужно было решать, была разработка методов разделения изотопов. Разделять их можно было только физическими методами, используя небольшое различие массовых чисел, поскольку химические свойства обоих изотопов одного химического элемента были, естественно, одинаковы. Из всех известных тогда четырех методов разделения — газовая диффузия, центрифугирование, термодиффузия и электромагнитный метод — был выбран газодиффузионный.

Завод по газодиффузионному разделению изотопов был построен в долине реки Теннеси. Ныне это место известно под названием Окридж. Когда завод, получивший условный индекс «К-25», заработал в 1944 г., для осуществления непрерывного процесса потребовалось 11 тысяч рабочих. В Окридже были построены разделительные установки и других типов. Построен был также опытный завод по производству плутония. В целом разделительные установки стоили 800 млн долларов и в период их максимальной загрузки население Окриджа достигло примерно 75 тысяч человек, город быстро вырос и стал третьим по величине в штате Теннеси.

Плутоний-239 элемент, делящийся под действием нейтронов любых энергий и имеющий характеристики деления лучшие, чем характеристики урана. Для его получения необходимо облучать уран-238 (природный уран) нейтронами. Ядро урана-238 поглощает нейтрон и путем последовательных ядерных превращений образуется ядро плутония-239. Ядерный реактор, запущенный под руководством Ферми 2 декабря 1942 г., показал реальную возможность получать в реакторе плутоний, используя для бомбардировки урана нейтроны деления.

Ученые приступили к постройке нового реактора более высокой мощности, который вырабатывал бы значительно больше плутония и вместе с тем служил опытным образцом будущих производственных предприятий для производства оружейного плутония. Такой реактор был построен в Окридже в течение одного 1943 г. Стал накапливаться опыт работы с реактором, который в последующем помог решить ряд проблем, возникающих в связи с постройкой промышленных реакторов, нарабатывающих плутоний для атомного оружия.

Но сроки не позволяли ждать пуска опытного завода в Окридже. Еще до пуска была закончена разработка проектов строительства реакторов полной мощности. Проекты были закончены еще тогда, когда полученная масса конечного продукта плутония — составляла несколько миллиграммов. Генерал Гровс, которому были даны широкие полномочия и право единолично руководить Манхеттенским проектом, принял решение строить заводы но получению плутония в отдаленном районе штата Вашингтон вблизи небольших тогда городков Хэнфорда и Ричланда, в том месте, где река Якима впадает в многоводную Колумбию.

Строительство началось ранней весной 1943 г. Первый из реакторов был пущен в Хэнфорде в сентябре 1944 г. Это была первая из трех установок, подлежащих вводу в эксплуатацию до конца года. Все они были в основном одинаковыми по конструкции.

Одной из исключительно трудных задач была разработка химических процессов для выделения плутония из урановых стержней. Все работы должны были вестись дистанционно вследствие высокой радиоактивности продуктов. Перед переработкой стержней давалось время на уменьшение радиоактивности. Все работы по выделению плутония производились в огромном бетонном «ущелье», где персонал работал под защитой толстых бетонных стен.

Одновременно с решением задач первого и второго этапов осуществлялся третий, завершающий этап Манхеттенского проекта — разработка конструкции и изготовление атомной бомбы. Для этого была создана специальная лаборатория, которая должна была стать научным, конструкторским и испытательным центром, предназначенным для создания атомной бомбы. При выборе участка для строительства лаборатории, как и заводов, руководствовались в первую очередь соображениями секретности.

Решено было построить лабораторию в уединенном месте. В ноябре 1942 г. для строительства был выбран участок в Лос-Аламосе (штат Нью-Мексико), расположенный на высоте около двух тысяч метров над уровнем моря на живописном уединенном плато недалеко от Санта-Фе. Преимущество этого места состояло в наличии большой площади для проведения испытаний.

Окончательная разработка конструкции механизма, вызывающего атомный взрыв, потребовала решения новых инженерных задач в сочетании с разработкой теоретических вопросов. Необходимо было наладить тесное взаимодействие инженеров-практиков с учеными-теоретиками, что было не просто. Генерал Гровс тщательно подбирал кандидатуру на должность научного руководителя такого сложного коллектива. Его внимание привлек профессор Калифорнийского университета Оппенгеймер, физик широкого профиля, занимавшейся в течение нескольких лет ядерной физикой.

Роберт Оппенгеймер родился в 1904 г. в Нью-Йорке. Окончил Гарвардский университет, совершенствовал свои знания в Кембриджском университете у Эрнеста Резерфорда и в Гёттингенском университете у Макса Борна. В 1928 г. возвратился в США. Он еще с 1939 г. интересовался проблемой цепной ядерной реакции и разделением изотопов урана. Работая в Калифорнийском университете, Оппенгеймер существенно помог Эрнесту Лоуренсу в разделении изотопов электромагнитным методом.

Осенью 1941 г. Комптон пригласил Оппенгеймера принять участие в работе специальной комиссии Национальной академии наук, которая обсуждала проблемы использования атомной энергии в военных целях. Летом 1942 г. Оппенгеймер собрал в Чикагском университете небольшую группу физиков-теоретиков и обосновал возможность создания атомной бомбы.