История создания атомного оружия

Благодаря спецоперациям Германия не смогла получить тяжелую воду в количествах, достаточных для серьезных экспериментов. Когда в 1945 году впервые стало известно, что тяжелая вода требовалась немцам только для  исследований, направленных на разработку реактора, то некоторым стало казаться напрасным уничтожение завода в Рьюкане. Это, как  установили позже, было не так. Проф. Эзау  утверждал, что решающие эксперименты, которые могли показать  осуществимость или, наоборот, неосуществимость цепной реакции с использование  оксида урана и тяжелой воды, не были проведены ввиду неполучения тяжелой воды из Норвегии. Имея в достаточном количестве  тяжелую воду, немцы могли успешно продвинуться вперед: построив реактор, они бы обнаружили, что шли  неправильным путем, и наверняка открыли бы возможность получения плутония, делящегося, так же как и уран-235. Теоретически положение  о получение ядреного взрывчатого вещества  в реакторе было выдвинуто в Германии летом  1940 году, но проверить его не удалось. Так же было и с разделением изотопов.

    К 1942 г. группы Шумана и Эзау пришли к выводу о невозможности изготовления ядерного оружия в ближайшем  будущем. Не смогли они  также доказать и осуществимость ядерного реактора, который  можно было бы рассматривать как первый шаг на пути к бомбе.

Некоторым практическим осуществлениям помешали три обстоятельства.

   Во-первых,  все  расширялся масштаб союзных бомбардировочных налетов, заставлял исследовательские  группы переезжать из города в город, поскольку здание и оборудование разрушались.

   Во-вторых, становилась все более ясной неспособность германской промышленности изготовить ядерное орудие.

    В-третьих,  Гитлер и его штаб признали целесообразность сконцентрировать все усилия на разработке только таких видов оружия, которые можно было быстро ввести в действие.

В течение двух лет немецкие исследователи были рассредоточены по центральной Германии и Баварии. Они еще продолжали примитивные эксперименты с обогащенным естественным  ураном, в котором  содержание  урана-235 слегка превышало природное; в условиях растущего хаоса упрямо старались построить свой первый ядерный реактор.

   Но они  не сделали то, что задумывали. Если бы немцы первыми сделали бомбу, возможно,  что исход войны был бы другой. Над вопросам могли или нет немцы создать атомное оружие, спорят до сих пор.

                                                  Британия

    Возможно, что  Британия могла стать первой ядерной  державой.  В апреле 1940 года был создан комитет Томсона, его субсидировало правительство (правда, не очень щедро), этой  организации было поручено заниматься  специально бомбой, с этого момента начинается официальное работа британских ученых. Комитет Томсона в одном очень важном отношении отличался от всех остальных исследовательских коллективов военного времени в Британии. Большая часть работ носила  характер усовершенствования  военной техники – танков, средств борьбы с ними, пушек, зенитных снарядов и т.п. Здесь на лицо была прочная база не только теоретическая, но и практических знаний  и опыта, опираясь на которую мог работать конструктор оружия. В случае с урановой бомбой, как ее называли, такой прочной базы не существовало. Многие еще не могли точно сказать, что собой представляет урановая бомба, что она сможет сделать и какой будет силы взрыв. Это неведенье в 1940 г. того, что в действительности представляет  собой ядерная энергия, - неведения, которое в то время было почти всеобщим среди ученых, начальников родов войск, промышленных и государственных деятелей.

Члены комитета впервые собрались в помещении Королевского общества. Одним из первых надо было решить вопрос о названии комитета. В разговорной речи его уже называли «комитетом Томсона» или «комитетом проф. Томсона», но такие названия не годились. Прямое  указание на то, что Томсон возглавляет такую группу, говорило любому мало-мальски осведомленному человеку о работе англичан над проблемой деления урана. Нужно было придумать условное наименование в чисто военном стиле. Кто-то из присутствующих на заседании предложил назвать британскую группу «Мауд Комитти» (Комитет Мауд), т.е. словами, не имеющими никакого значения.  Комитет, которому присвоили столь курьезное название, проводил свое организационное заседание в Барлингтон-Хаузе. Комитет состоял не только из постоянных членов, но также и из ученных, которых приглашали на одно - два заседания для выяснения их мнения по специальным вопросам; на отдельных заседаниях присутствовали и промышленники,  от которых требовались те или иные советы, или ученые из союзной страны. Приглашение «гостей» на эти секретные совещания было очень важно для всестороннего обмена идеями, без чего проект бомбы никогда бы не смог осуществиться.

   Комитет  Томсона  занялся разрешением трех отдельных, но взаимосвязанных  проблем. Во-первых, следовало получить большие сведений относительно самого ядра урана, так как от этого зависел успех в создании урановой бомбы вообще и, в частности, определение размеров уранового взрывчатого заряда. Фриш и Пайерлс в Бирмингамском университете усилено работали  над определением сечения  захвата уранового ядра. Было очень важно  знать степень точности этого определения. Требовалось также  убедиться в справедливости  многих других основных характеристик ядра – непостижимо крошечного комка  частиц, плотно удерживаемых вместе внутриядерными силами.

   Во-вторых, надо было исследовать невероятно сложную картину: что же происходит при многомиллионном повторении процесса деления, которое в ничтожную долю секунды должно высвободить чудовищную энергию? Предмет исследования был таков, что за разрешение  его  могли взяться только физики – ядерщики, в совершенстве знающие математику.

Третьей была проблема отделения  от тысячи атомов природного урана таких семи атомов, которые содержат 142, а не 146 или 142 нейтрона, заключенных в ядре, - атомов, и химически и во всех других отношениях, за исключением внутреннего строения, подобных остальным 993 атомам.

Решение этих трех  главных проблем, а также множества других, менее значительных, требовало денег, соответствующих условий и людей. Нужно  было закупать уран и всевозможное оборудование, выплачивая жалование персоналу,  находить лабораторные площади, печатать материалы, неофициально договариваться с университетскими руководителями и т.д.  И  все это организовывать без ущерба  для других разработок военного ведомства, не вызывая у случайных свидетелей и тени подозрения о том, что физики – ядерщики включились в военные исследования. Ощущалась также острая  нужда в ученых.

    Однако не смотря не тревоги и сомнения среди  определенных  кругов ученых – ощущения, которым предстояло и дальше расти и распространяться, «новобранцы»  для разработок  все же нашлись, и весной 1940 г. они  взялись за дело серьезно.
    Наиболее важные теоретические вопросы были связаны с определением  сечения захвата самого ядра и размерами критической массы для урана-235. Определение сечения проводилось сначала в Ливерпульском университете. Здесь Чедвик и его коллектив продолжали, теперь уже в официальном  порядке, работу, которой они занимались несколько месяцев  как частной. Несколько позже, когда  работа развернулась еще больше, и возникли  новые проблемы, было  решено привлечь к работе и Кавендишскую лабораторию.  В Кембридже в исследования включились два замечательных физика. Один из них был проф. Норманн Фезер, другим – Эгон Бретчер. Теоретические  положения проблемы     разрабатывались в Бирмингаме   Пайерлсом.

    Коллективы Чедвика в Ливерпуле и Пайерлса в Бирмингаме  имели дело с относительно секретными вопросами, касавшимися ядерного оружия, характеристики взрыва и вычисления размеров разрушений, которые он мог причинить. Крайне важным был вопрос  о получении самой  ядерной взрывчатки.  Возможность изготовления бомбы теперь зависела  целиком – или это так казалось в 1940 г. – от  того, удастся или нет получить в достаточном количестве уран-235.  Трудность заключалась в разделении изотопа урана.   В 1939 г.  Фриш лично проделал некоторые эксперименты в Бирмингаме, также весьма   важные попытки разделить два изотопа урана, были предприняты в Кларендонской лаборатории (Оксфорд). В Оксфорде  занимался этой проблемой Франц  Симон. Всю зиму 1939/40 г.  Симона не оставляла мысль о различных вариантах разделения изотопов. Однажды утором Симон появился в Кларендонской лаборатории с простым кухонным ситом, сделанным из металлической сетки. Держа его против света, ученый обратил внимание своих сотрудников на множество мелких дырочек, сказав: «То, что мы ищем, представляет собой нечто подобное, только с гораздо более мелкими отверстиями».  Это уже  была идея промышленного использования диффузионного метода  разделения изотопов, который в лабораторном масштабе применялся десять лет назад в Берлине проф. Герцем для разделения изотопов неона. Основной вклад Симона в историю создания бомбы и  заключается в реализации громадных возможностей этого метода, а также в проектировании полупромышленной установки. 

    Принцип действия  такой установки прост. Изотоп урана-235 немного легче, чем изотоп уран-238, так как в ядре первого заключено на три нейтрона меньше. Поэтому если уран в какой-либо газообразной форме будет проникать через фильтр с ничтожно малыми отверстиями, то изотоп уран-235 пройдет несколько быстрее, чем более  тяжелый изотоп; газ по ту сторону фильтра  будет  содержать несколько больше урана-235 по сравнению с газом,  не прошедшим еще сквозь фильтр. Разница эта мала, и ясно, что необходимо заставлять газ  проходить через очень большое количество фильтров, или мембран, чтобы получить  ощутимый результат. Трудности обращения с ураном в газообразном виде, точность определения стенки обогащения газа ураном-235 на каждой стадии, проектирование аппаратуры, способной  давать продукцию в нужном количестве, - все это было только одной стороной дела.  Первое, что следовало сделать, это испытать сам метод. Испытание показали, как мало знали в то время о газовой диффузии. Никто тогда еще не имел ни малейшего представления о том, какие оптимальные температуры и давления требовались для работы  аппаратуры.  Никто не знал, какой материал наиболее подходящий  для  мембран.  Кроме  того, возникли затруднения при определении размеров отверстий: если бы они были слишком велики, то это повело бы к снижению производительности всей системы  разделения; если бы  они были чересчур малы, то, очевидно,  уменьшили бы скорость процесса.  В начале попробовали «голландское полотно», это очень тонкая медная сетка с несколькими сотнями отверстий на дюйм. Эксперименты проводились в надежде найти на основе принципа «пробуй-ошибайся, ошибайся-пробуй» наиболее подходящие размеры отверстия.  Эти эксперименты продолжались все лето1940 г, также параллельно велись испытания по всем направлениям.

Работе препятствовали  постоянные немецкие  бомбежки. Они начались в сентябре 1940 г. и практически закончились в ночь на 10 мая 1941 г., когда палата общин, военное ведомство, 14 больниц, королевский хирургический колледж и ратуша вместе с сотнями других зданий были сожжены или превращены в развалины. Это были  последние и  бесплодные попытки немцев  бомбежкой Лондона поставить противника на колени. В таких  условиях людям нужны были крепкие нервы и непоколебимая вера в будущее, чтобы заниматься работой по созданию оружия, для изготовления которого требовалось четыре или пять  лет, хотя и тогда их могла постичь неудача. В условиях бомбардировок даже простая организация заседаний комитета, переписка и обсуждение итогов встречали неожиданные трудности.

   В течение всего периода бомбежек работы по трем направлениям проводились в Ливерпули, Бирмингаме и Оксфорде. Вскоре они начали давать результат. Некоторым работникам становилось ясней и  ясней, что проблема изготовления бомбы принимала новую форму. Вопрос о том, можно ли было ее построить,  постепенно терял свое значение; вместо него важнейшим становился вопрос о целесообразности ее изготовления: оправдаются ли колоссальные затраты людских сил, материалов и денег, которые, очевидно, потребуются?

   В Ливерпуле Чедвик  со своим коллективом старался получить основные ядерные величины, от которых зависела возможность срабатывания бомбы.  Фриш также имел дело с проблемой исследования того, каким образом должны были  соединиться вместе две «некритические»  половинки, чтобы образовать критическую массу для взрыва. Ученый использовали  всю свою изобретательность  для придания реальной формы теоретической проблеме. С этой целью он построил оптическую модель бомбы, в которой роль нейтронов играли  световые лучи. С помощью этой модели Фриш предполагал  установить, что будет происходить по мере сближения двух некритических половинок. Точное значение критической массы оставалось неизвестным до начала 1941 г., когда ее определили в Ливерпуле. Фриш принимал активное участие в эксперименте, а Пайерлс и Прайс проводили  вычислительную работу.

   В Бирмингаме  Пайерлс и его коллектив пользовались экспериментальными данными, получиными в Ливерпуле, для вычисления критического размера взрывчатой начинки бомбы, проверки механизма ее чудовищного взрыва и для вычисления количества энергии, которое должно выделиться.   Кроме того, они изучали варианты различных устройств, необходимых для  усиления взрыва. Пайерлс лично помогал решить многие чрезвычайно сложные математические проблемы, возникающие в процессе работы по разделению изотопов в Оксфорде. Всюду, где было возможно, вычисления одной группы проверялись другой. Все исследование неизменно стали подтверждать основную  теоретическую возможность создания бомбы, т.е. если два куска некритического размера чистого урана-235 сблизить вплотную, то результатом будет взрыв ужасающей силы. Оставался нерешенным  последний вопрос: можно ли  получить уран-235? Чтобы ответить на него, требовалось не только умственное напряжение, но и успешное  разрешение множества буквально пугающих загадок химической технологии. К началу зимы 1940 г. стало казаться, что решение всех этих вопросов возможно.

Деятельность Симона и его оксфордского коллектива по разделению изотопов покоилась на довольно шаткой базе контракт с министерством  авиационной промышленности на сумму 5000 фунтов стерлингов, выданного Оксфордскому  университету летом. Работа, которую начал оксфордский коллектив, шла по двум направлениям.  Во-первых, нужно было  определить физические и химические свойства гексафторида урана – газа, который имел наилучшие перспективы для разделения изотопов методом газовой диффузии. О нем  пока  мало знали, но предполагали, что  этот газ обладает многими отрицательными  и трудноустранимыми свойствами. Во-вторых, требовалось  определить точно, каким  путем,  и при каких условиях можно отделить один изотоп от другого при прохождении сквозь мембраны. 

     К началу зимы многие из этих теоретических  барьеров и некоторые другие затруднения были преодолены. Успешные  результаты оксфордского коллектива нашли свое отражение в многостраничном исчерпывающем докладе, составленном Симоном в середине  1940 г. В этом докладе говорилось не только о путях преодоления многих  трудностей, но и о проекте завода, необходимого для выполнения работы. Составление проекта завода для разделения редких изотопов урана было наиболее важным  шагом, после чего вся проблема стала выглядеть значительно проще в техническом отношении. Симон  понимал, что проект интересен, но довольно дорогой в условиях военного времени.

    В письме от 15 июня 1940г. в журнале «Физикл ревю» американские ученые Макмиллан и Абельсон утверждали, что при наличии определенных условий захват нейтронов ураном-238 приводит к образованию относительно стабильного элемента с атомным  номером 94 и массовым числом 239. Этот элемент в последствии назвали Плутоном. Это факт заинтересовал английских ученых, несмотря на все неопределенность, чувствовалось, что новый элемент мог приобрести большое военное  значение. Согласно вычислениям, плутоний и уран-233 могли делиться примерно тем же путем, что и  уран-235. В дальнейшем требовалось только отделить элемент уран от химического отличного элемента плутония вместо того, чтобы пытаться  осуществить бесконечно более трудное разделение двух изотопов – урана-238 и урана-235.  Несмотря на открытие нового элемента, завод по разделению изотопов урана никто не хотел отбрасывать.  К 1941 г. исследование и разработки по разделению изотопов были значительно расширены. К этому времени уран-235 почти стал реальностью, в то время как с плутонием дело обстояло  совершенно иначе.  Ничего не было известно о его химических свойствах, - все  это, как и многое другое, противопоставлялось сравнительной легкости отделения его от урана. В результате уран продолжали рассматривать как основную  ядерную взрывчатку, хотя  в первые месяцы 1941 г. вели исследования в обоих направлениях.

     Самыми тяжелыми проблемами, были проблемы выдвигаемыми Симоном в проекте постройки завода по отделению легкого изотопа урана. Центральной проблемой являлось изготовление мембран в колоссальных количествах. Но и эта проблема со временем была решена.

     Летом 1941 г. правительству был предоставлен правительству доклад от «Мауд Комитти», о создании «урановой» бомбы, количество людей, средств, ресурсов и денег которые потребуются для  ее создания. Главное, доклад «Мауд Комитти» означал конец одной стадии и начало другой на пути создания оружия. Теперь  правительству предстояло решить три проблемы.  Во-первых, надо ли изготовлять бомбу вообще? Во-вторых, стоит ли до конца войны предпринимать что-либо для  получения промышленной атомной энергии с помощью реактора, и если да, то делать ли это в порядке субсидируемых правительством  работ или отдать их  в руки частных предпринимателей? В-третьих, в каких пределах возможно и целесообразно привлекать к ядерному предприятию американцев?   Американцы уже проявляли интерес  к ядерным разработкам англичан, также как и англичане проявляли интерес к работам американцев.

    Правительство приняло положительное решение в отношении разработки «урановой» бомбы.  В сентябре, научно-консультативный комитет рекомендовал, что опытный завод по производству урана-235 был построен в Англии, а завод  промышленного масштаба - в  Канаде. Также допустили американскую компанию к работам, были достигнуты  соглашения по патентным проблемам.  Правительство выделило на  6 месяцев сумму равную  100000 фунтов стерлингов.  Начиная с осени 1941 г. вокруг проекта в целом возникла новая атмосфера. До  этого времени его участники в основном только вели разговоры относительно бомбы, отныне же они должны были помогать в изготовлении практического оружия войны.

Страницы: 1, 2, 3