Журнал Наука и Техника (НиТ) - «Наука и Техника» [журнал для перспективной молодежи], 2007 № 08 (15)

Америка стала прибежищем для многих ученых, которых пришедшие к власти в Европе националистические режимы вынудили покинуть родину. Вот лишь несколько фамилий: немец по гражданству Альберт Эйнштейн, венгр Лео Сциллард, итальянец Энрико Ферми — звезды первой величины мировой физики. Америка предоставила им возможность заниматься тем, чем они хотели по 12–15 часов в сутки год за годом без выходных и отпусков.

В дни и ночи «битвы за Англию» британскому правительству стало ясно, что германская авиация не позволит создать атомную промышленность нигде в пределах «Туманного Альбиона». Было принято решение о переносе работ по урану в Канаду, но к концу 1941 года вскрылось еще одно обстоятельство, роковым образом сказавшееся на судьбе английского атомного проекта «Тьюб Эллойз» (“Tube Allows” — «сплавы для труб»). Катастрофические потери торгового флота привели Англию на грань экономической катастрофы и на «супербомбу» средств уже не было. Разведка же доносила о строительстве все новых и новых атомных объектов в Германии. Тогда было решено предать полученные результаты, оборудование и часть запасов радиоактивных материалов США, а также направить туда несколько сот ученых и инженеров. Подразумевалось, что Вашингтон потом «поделится» совместно сделанным с добрым союзником.

Ни в коей мере не пытаясь умалить участие в «манхэттенском проекте» коренных американцев, трудно не заметить роли тех, кто приехал в Америку в бурные тридцатые-сороковые.

К моменту начала проектно-конструкторских работ по атомной бомбе теоретическая часть задачи была в основном решена. Было известно, что при попадании в ядро атома «медленного» нейтрона атом урана разваливается с образованием двух атомов меньшей массы и выделением одного или нескольких новых нейтронов. При этом суммарная масса всех «осколков» меньше массы исходного ядра — оно испускает дополнительные частицы с очень высокой энергией. Если интенсивность реакции низкая, то вторичных нейтронов мало и блок делящегося материала просто нагревается, а выделяемая энергия описывается «угольным эквивалентом», так работает атомная электростанция. Но если нейтронов достаточно много, то процесс нарастает лавинообразно и происходит взрыв. Мерой энерговыделения такого процесса стал «тротиловый эквивалент», т. е. сколько тонн обычной взрывчатки производят взрыв такой же силы, как и данная атомная бомба.

Но оставались проблемы инициатора (источника нейтронов), замедлителя (вещества, превращавшего «обычный» нейтрон в «медленный»), зеркала, уменьшавшего непроизводительный выход нейтронов за пределы заряда, «разнобоя» в срабатывании детонаторов и т. д. Такие проблемы возникали постоянно, многие были решены лишь в самый последний момент.

Среди поражающих факторов взрыва в то время выделялись три основных: ударная волна, энергия света и тепла, вызывающая пожары на большом расстоянии от эпицентра, и, наконец, проникающая радиация. Самым вредоносным оказалось альфа-излучение, но и защитится от него проще всего. Одиночную альфа-частицу с вероятностью много выше 50 % поглощает лист папиросной бумаги, с потоком их, правда, дело обстоит гораздо сложнее. Бета-частицы несли меньшую опасность, но и защитится от них труднее. Большое их количество столь же смертельно. От самых слабых гамма-частиц, защитой были разве что многометровые слои свинца, парафина и воды. Построить убежища от гамма-радиации для большой массы людей невозможно. Кроме «гаммы» атомный взрыв дает и другие вредные для всего живого частицы, прежде всего, рентгеновские, нейтроны. Об электромагнитном импульсе и возникающем из-за вторичной, или «наведенной» радиации длительно действующем и обширным радиоактивном заражении местности было мало что известно, и они не брались в расчет.

Были известны и условия, необходимые для возникновения лавинообразно нарастающей цепной реакции. Самыми простыми вариантами были схемы бомбы с отражателем нейтронов с изменяемыми свойствами и с доведением массы до критической.

Критической называется масса делящегося вещества, при которой начинается цепная реакция. Хранить «критмассу» урана в сборе нельзя, ее надо создать в момент подрыва. В цилиндрическом стволе размещены два полузаряда — неподвижная «мишень» и подвижный «снаряд». Детонация обычного ВВ приводит снаряд в движение. Соударяясь, отполированные алмазом до зеркального блеска контактные поверхности мгновенно превращаются в монолит, масса скачкообразно превышает критическое значение, возникает лавина распадов и происходит взрыв.

Зеркало с изменяемыми свойствами работает за счет того, что в нужный момент перестает выпускать нейтроны за пределы «сердцевины», что провоцирует цепную реакцию.

Бомбы Mark 1 так никогда и не было — несколько проектов под этим шифром остались на бумаге. Потому нумерация «изделий» в США началась с цифры «2».

Идея «пушечного» или «эксплозивного» (эксплозия — «взрыв наружу») была реализована в проекте бомбы Mark 2 Little Boy — «Малыш». Активным веществом в ней был уран-235. Подрыв производился еще в воздухе — так достигался наибольший эффект.

Бомба Mark 2 “Малыш”

Бомба Mark 3 “Толстяк”

Но уже существовал проект бомбы, основанный на другом принципе. Если шар из плутония сжать, то в нем начнется цепная реакция и без достижения критической массы когда критической станет плотность. Но как сжать шар из металла, по прочности не уступающего стали? Причем сделать это и почти мгновенно, и так, чтобы он не разрушился, а равномерно уменьшился. Тогда был разработан метод «взрыва внутрь» или имплозии: детонация заряда из двух типов обычного ВВ с разной скоростью горения формирует сходящуюся взрывную волну. Составной заряд, взрывная волна которого сходится к центру, был назван «имплозивной линзой». Именно в таком варианте было решено делать экспериментальную бомбу, получившую наименование «Гаджет» (“Gadget”, это можно перевести как «техническая новинка», но и «безделица», «ерунда»).

Боевая имплозивная бомба получила наименование Mark 3 Fat Man или «Толстяк»: она действительно не отличалась стройностью форм. Ее баллистика было неважная, но задача прицельного сброса и не стояла. Зато положительно была оценена информация о том, что мощность имплозивной плутониевой бомбы гораздо выше, чем у бомбы урановой эксплозивной. Мало того, ученые предложили пути дальнейшего повышения мощности за счет многодетального заряда.

Выполняя сердцевину бомбы из разъединенных плутониевых долек, энерговыделение можно еще увеличить — каждую из «долек» можно сделать с массой, близкой к критической. Чем больше долек, тем больше масса. Далее, предполагалось соединить принцип действия эксплозивной и имплозивной бомб, наложив эффект от сжатия заряда. Таким образом, повысить энерговыделение можно было и без увеличения КПД (отношение массы прореагировавшего активного вещества к общей массе сердцевины для плутониевой бомбы оценивалось на уровне 10…15, а урановой — 5-10 %).