Генри Смит - Атомная энергия для военных целей
В боевой обстановке бомба взрывается на такой высоте от поверхности земли, с которой она могла бы оказать максимальное разрушающее действие на здания и рассеять в виде облака радиоактивные продукты взрыва. Учитывая высоту взрыва, можно считать, что практически все радиоактивные продукты будут уноситься вверх восходящим потоком горячего воздуха и рассеиваться без вреда на большой территории. Даже при испытании в Нью-Мексико, где высота взрыва была по необходимости мала, лишь очень небольшая доля радиоактивных продуктов осела непосредственно под бомбой.
МЕТОД СБЛИЖЕНИЯ ЧАСТЕЙ БОМБЫ12.19. Ввиду того, что скорости, с которыми субкритические массы U-235 во избежание преждевременной детонации должны сближаться в одно целое, по оценкам очень велики, потребовалось много усилий для практического осуществления этого. Очевидным методом быстрого сближения частей атомной бомбы был выстрел одной частью бомбы, как снарядом, в другую часть бомбы, как мишень. Масса и скорость снаряда, а также калибр орудия недалеки от тех, какие применяются в обычной артиллерийской практике; однако, здесь возникли и новые проблемы, связанные с важностью получения мгновенного и совершенного контакта между снарядом и мишенью, применением оболочек и требованиями транспортировки. Ни одна из этих технических задач не была изучена хоть сколько-нибудь достаточно до организации лаборатории в Лос-Аламосе.
12.20. Выяснилось, что возможно предложить схемы, где поглотители нейтронов были бы заключены в бомбе так, чтобы нейтроны играли меньшую роль в начальных стадиях цепной реакции.
Тенденция к преждевременной и неэффективной детонации бомбы в этом случае сводится к минимуму. Такие устройства для увеличения коэффициента полезного действия бомбы называются автокаталитическими.
ХАРАКТЕРИСТИКА УРОВНЯ ЗНАНИЙ К АПРЕЛЮ 1943 г12.21. В апреле 1943 г. сколько-нибудь ценные и интересные сведения о конструкции атомных бомб были предварительны и неточны. Настоятельно требовалась дальнейшая и интенсивная теоретическая работа по критическим размерам, коэффициенту полезного действия, влиянию оболочки, эффективности и методу детонации. Должны были быть продолжены и улучшены измерения ядерных постоянных U-235, плутония и вещества оболочки. В отношении U-235 и плутония должны были производиться лишь предварительные измерения, с ничтожными количествами материала, пока в распоряжении не оказались большие количества.
12.22. Помимо указанных задач в области теоретической и экспериментальной физики, оставалось множество химических, металлургических и технических задач, которые еще почти не были затронуты. Таковы, например, очистка и производство U-235 и плутония и изготовление оболочки. Наконец, были задачи, связанные с мгновенным сближением частей бомбы, ошеломляющие по своей сложности.
РАБОТА ЛАБОРАТОРИИ
12.23. Весь научный персонал в Лос-Аламосе был разделен на 7 отделов, которые потом в разное время реорганизовывались. Весной 1945 года существовали следующие отделы:
1. теоретической физики, под руководством Г. Бете;
2. экспериментальной ядерной физики, под руководством Р.Р. Вильсона;
3. химии и металлургии, под руководством Дж. В. Кеннеди и К.С. Смита;
4. артиллерии, под руководством капитана В.С. Парсонса;
5. взрывчатых веществ, под руководством Г.Б. Кистяковского;
6. физики бомбы, под руководством Р.Ф. Бэчера;
7. перспективной разработки, под руководством Э. Ферми.
Все секции отчитывались перед И.Р. Оппенгеймером, директором Лос-Аламосской лаборатории, которому с декабря 1944 г. в координировании исследовательских работ стал помогать С.К. Алисон, Дж. Чэдвик (Англия) и Н. Бор (Дания) провели много времени в Лос-Аламосе и оказали неоценимую помощь. Чэдвик возглавлял английскую делегацию, которая существенно способствовала успеху лабораторий. Из соображений секретности большая часть работ лабораторий может быть описана лишь частично.
ОТДЕЛ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ12.24. Два обстоятельства придали необычайную важность работе отдела теоретической физики, руководимого Г. Бете. Первым из них была необходимость одновременного развертывания всех работ, начиная от основных материалов и кончая методом их использования — несмотря на фактическую недоступность главных материалов (U-235 и плутония) и полную новизну процессов. Вторым обстоятельством была невозможность производить атомные взрывы в малых масштабах (например, для экспериментальных целей), оперируя лишь с очень малыми количествами материала, способного к делению. Если его масса не превышает критической величины, то взрыва не происходит совсем. Таким образом для того, чтобы высказать суждения о том, что может произойти в бомбе, оставалось только исходить из данных эксперимента над бесконечно малыми количествами веществ и сочетать их сколь возможно точно с существующими теориями. Только таким путем и оказывалось возможным разумно планировать другие части Проекта и принимать решения по конструированию и постройке бомбы, не ожидая детальных экспериментов с большими количествами материала. Так, теоретическая работа была необходима для грубой оценки размеров орудия, для помощи металлургам в выборе вещества оболочки и для определения влияния чистоты испытывающего деление вещества на КПД бомбы.
12.25. Определение критических размеров бомбы было одной из главных задач отдела теоретической физики. С течением времени теоретические представления уточнялись, благодаря чему сказалось возможным учесть практически все сложные явления, связанные с взрывом атомной бомбы. Сперва, например, принималось, что диффузия нейтронов аналогична диффузии тепла, но эту наивную аналогию пришлось оставить. В первоначальной теоретической работе предполагалось также, что все нейтроны имеют одинаковую скорость и рассеиваются изотропно. Таким образом, был разработан метод, допускавший вычисление критических размеров для различных (геометрических) форм испытывающего деление материала в предположении, что средняя длина свободного пробега нейтрона в нем и в веществе оболочки одна и та же. Позднее этот метод был усовершенствован; были учтены законы распределения по углам при рассеянии нейтронов и различие средних свободных пробегов нейтронов в веществе сердечника и оболочке бомбы. Еще позднее были найдены средства учитывать влияние распределения скоростей нейтронов, изменения поперечных сечений со скоростью и неупругого рассеяния в веществе сердечника и оболочки. Таким путем оказалось возможным подсчитать критические размеры почти при любом материале оболочки.
12.26. Скорость, с которой плотность нейтронов убывает в веществе бомбы при размерах, меньших критических, может быть вычислена с учетом всех упомянутых выше обстоятельств. Скорость приближения к критическим условиям, когда снарядная часть бомбы движется по направлению к другой части бомбы (к мишени) также изучалась теоретическими методами. Кроме того, теоретическими изысканиями было найдено и наилучшее распределение испытывающего деление материала в снаряде и в мишени.
12.27. Была разработана техника обращения с установками, в которых число нейтронов столь мало, что необходимо было провести тщательный статистический анализ действия нейтронов. Важнейшей задачей в этом направлении было определение вероятности того, что блуждающий нейтрон начнет непрерывную цепную реакцию для бомбы величины больше критической. Задачей, родственной предыдущей, было определение величины флуктуации плотности нейтронов в бомбе, размеры которой в точности равны критическим. Летом 1945 года многие из таких вычислений были проверены на опыте.
12.28. Большая теоретическая работа была проведена по уравнению состояния вещества при высоких температурах и давлениях, которых можно было ожидать при взрыве атомных бомб. Было подсчитано расширение различных частей, составляющих бомбу во время и по окончании цепной реакции; довольно детально было исследовано и действие излучения.
12.29. Когда была вычислена энергия, освобождающаяся при взрыве атомной бомбы, естественно, возникло желание оценить ее боевую эффективность. Сюда входит анализ ударных волн в воздухе и в земле, определение эффективности детонации под поверхностью океана и т. д.
12.30. В дополнение ко всему этому теоретический отдел провел значительную работу по анализу результатов предварительных экспериментов. Был произведен анализ обратного рассеяния нейтронов различными веществами оболочки. Проанализированы были также результаты экспериментов по увеличению числа нейтронов в субкритических количествах испытывающего деления вещества.
ОТДЕЛ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ12.31. Эксперименты, выполненные группой экспериментальной ядерной физики в Лос-Аламосе, были двух родов: «дифференциальные» эксперименты, например, по определению поперечного сечения деления определенного изотопа нейтронами определенной скорости, и «интегральные» эксперименты, например, по определению среднего рассеяния нейтронов, получающихся при делении, тем или иным веществом оболочки.
