Найти в Дзене

Очарование и строгость ядерного оружия. Часть 1. Получение урана-235 и плутония

В статье описываются события в научном мире, которые привели к получению ядерных материалов для изготовления первых ядерных бомб в рамках "Манхэттенского проекта" в США 19 мая 2023 Автор решительно осуждает применение ядерного оружия и рассматривает историю его создания как пример трансформации идеи уничтожения человечества в идею познания природы и использования внутриядерной энергии исключительно на благо человечества 1. Введение Ядерное оружие является оружием массового поражения, его эффективность основана на разрушительной энергии, высвобождаемой при делении атомных ядер (ядерное деление) или комбинации деления и синтеза атомных ядер (термоядерное оружие). Оба типа бомб генерируют огромное количество энергии из небольшого количества материала. Например, одно ядерное устройство размером с обычную бомбу может привести к разрушению целого города за счет мощной ударной волны, светового излучения и радиации. Идея создания супероружия владела умами военных и учёных на протяжении всей и
Оглавление

В статье описываются события в научном мире, которые привели к получению ядерных материалов для изготовления первых ядерных бомб в рамках "Манхэттенского проекта" в США

19 мая 2023

Первый в мире ядерный реактор Chicago Pile-1 (СР-1) “Чикагская поленница”
Автор: ENERGY.GOV (HD.5A.032)/Wikimedia Commons
Первый в мире ядерный реактор Chicago Pile-1 (СР-1) “Чикагская поленница” Автор: ENERGY.GOV (HD.5A.032)/Wikimedia Commons

Автор решительно осуждает применение ядерного оружия и рассматривает историю его создания как пример трансформации идеи уничтожения человечества в идею познания природы и использования внутриядерной энергии исключительно на благо человечества

1. Введение

Ядерное оружие является оружием массового поражения, его эффективность основана на разрушительной энергии, высвобождаемой при делении атомных ядер (ядерное деление) или комбинации деления и синтеза атомных ядер (термоядерное оружие). Оба типа бомб генерируют огромное количество энергии из небольшого количества материала. Например, одно ядерное устройство размером с обычную бомбу может привести к разрушению целого города за счет мощной ударной волны, светового излучения и радиации.

Идея создания супероружия владела умами военных и учёных на протяжении всей истории человечества. Процесс овладения секретами атомного ядра развивался очень быстро и за 50 лет завершился созданием и применением в 1945 году атомных бомб из плутония и урана-235. С атомной бомбардировкой Хиросимы и Нагасаки началась новая эра в истории человечества, а также история оружия, изменившего не только способы ведения боевых действий, но и сами основы существования глобального сообщества и международную политику.

История создания ядерного оружия — это, по сути, история освоения процесса разделения изотопов урана с целью получения изотопа уран-235 с относительным содержанием не менее 90% (этот процесс исторически называется “обогащение”), а также история открытия и получения в промышленных масштабах искусственного химического элемента плутония. Концентрация делящегося изотопа плутония — плутония-239 — в смеси изотопов плутония для использования в ядерной боеголовке должна быть более 90%.

Освоенная учёными и инженерами технология извлечения плутония из облучённого ядерного топлива (ОЯТ) и технология обогащения урана до сих пор вызывает восхищение.

Надо знать, что эти технологии развивались параллельно, независимо друг от друга. Хотя и в одно время.

Сравнивая способы получения плутония и обогащённого урана, необходимо отметить, что наиболее сложной с химической точки зрения, а также с точки зрения радиационной и ядерной опасности является технология получения плутония. А вот процесс разделения изотопов урана более сложен в аппаратурном оформлении. Могу сравнивать особенности обеих технологий, поскольку мне посчастливилось работать инженером-технологом как на комбинате по получению плутония, так и на заводе по обогащению урана. Процесс получения плутония необходимо вести дистанционно из-за наличия в облучённом ядерном топливе высокоактивных изотопов, 𝞫-распад которых сопровождается высокофоновым 𝞬-излучением. Компоновка радиохимического завода, на котором производится переработка облучённого в реакторе урана, выполнена таким образом, что технологическое оборудование размещается в каньонах, трубных коридорах, окружённых стенами из бетона толщиной более одного метра. Помимо радиационной опасности, приходится учитывать ядерную опасность плутония, то есть возможность возникновения неконтролируемой СЦР — самоподдерживающейся цепной реакции. Это, по сути, локальный ядерный взрыв в результате ошибки персонала или отказа техники. В мире описано 22 случая СЦР — как с плутонием, так и с обогащённым ураном. Некоторые СЦР, особенно в первые годы освоения атомной промышленности, заканчивались мучительной смертью технологического персонала, оказавшегося поблизости от вспышки СЦР.

Ещё одной особенностью производства плутония является наличие большого числа сопутствующих плутонию химических элементов (урана, трансурановых элементов и более 10 продуктов деления урана), физико-химические свойства которых необходимо знать в процессе отделения плутония от примесей.

Для человечества оказалось большим благом, что для обоих делящихся изотопов (плутония-239 и урана-235) нашлось применение в мирной жизни. Они стали основой топливных элементов в ядерной энергетике.

Два других химических элемента, используемые в производстве термоядерного оружия — дейтерий и литий-6, производить оказалось проще и безопаснее, чем плутоний и уран-235

2. Хронология овладения тайнами ядра и создания ядерного оружия

С 1895 года (открытие Рентгеном Х-лучей) до 1942 года (начало работ по “Манхэттенскому проекту”) учёными сделаны фундаментальные открытия, позволившие приступить к практическому использованию внутриядерной энергии атома.

Вот краткая хронология основных событий при создании ядерного оружия.

1895 Вильгельм Конрад Рентген (Германия) открывает Х-лучи (В России они получили название “рентгеновские”).

1896–1898 Антуан Анри Беккерель, а также Пьер и Мария Кюри (Франция) открывают спонтанную радиоактивность.

1899 Эрнест Резерфорд (Великобритания) открывает альфа- и бета-лучи.

1905 Альберт Эйнштейн (Германия) публикует теорию относительности (E=mc2).

1919 Резерфорд проводит первую ядерную реакцию при бомбардировке азота альфа-частицами, превращая его в кислород.

1932 Джеймс Чедвик (Великобритания) открывает нейтрон.

1934 Энрико Ферми (Италия) впервые расщепил ядро, однако не осознал значимости своего достижения.

1938 Отто Ган, Фриц Штрассман, Лизе Мейтнер и Отто Фриш (Германия) проводят опыты, завершившиеся делением атомного ядра.

1940–1941 Филип Абельсон и Эдвин Макмиллан (США) бомбардируют на циклотроне уран-238 и получают элементы нептуний и плутоний.

1941 Гленн Сиборг (США) обнаруживает, что плутоний может быть использован при создании атомной бомбы.

1941 Результаты британского проекта “МОД” (“MAUD”) свидетельствуют, что атомную бомбу можно создать на основе урана-235.

1942 28 сентября Государственный комитет обороны СССР выпустил распоряжение «Об организации работ по урану».

1942 В США начинаются работы по “Манхэттенскому проекту” с целью создания атомной бомбы. 2 декабря на опытном ядерном реакторе СР-1 в Чикагском университете впервые в мире запущена самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция.

1943 Создаются сверхсекретные город и лаборатория в Лос-Аламосе (штат Нью-Мексико) для разработки и изготовления образцов атомной бомбы. Идёт строительство на территории США секретных заводов (ядерных реакторов и радиохимического завода) для получения оружейного плутония и для обогащения урана.

1944 В сентябре на Хэнфордском инженерном заводе (штат Вашингтон) запущен в эксплуатацию первый промышленный ядерный реактор, в ноябре начато промышленное производство плутония.

1945 В феврале первая партия плутония отправлена в Лос-Аламосскую лабораторию. Весной началось промышленное производство высокообогащённого урана на газодиффузионном заводе К-25 в Ок-Ридже (штат Теннесси). Первые килограммы урана-235 поступили в Лос-Аламосскую лабораторию.

1945 16 июля первая атомная бомба (плутониевая) успешно испытана на полигоне “Тринити” в пустыне Аламагордо (штат Нью-Мексико). 6 августа вторая бомба (урановая) сброшена на японский город Хиросима. 9 августа сброшена третья бомба (плутониевая), уничтожившая Нагасаки.

1945 В ответ на бомбардировку японских городов 20 августа при Государственном комитете обороны СССР образован Специальный комитет (председатель Берия Л.П.) для руководства всеми работами по использованию внутриатомной энергии урана.

1946 В июле США проводят испытания двух атомных бомб на атолле Бикини на Маршалловых островах. На испытаниях присутствовали приглашённые гости и пресса. От СССР присутствовали руководитель циклотронной лаборатории Радиевого института М. Г. Мещеряков, эксперт при представителе СССР в ООН С. П. Александров и начальник секции ЦНИИ кораблестроения, капитан 2-го ранга А. М. Хохлов, который числился журналистом «Красной звезды».

1946 25 декабря на реакторе Ф-1 в Лаборатории №2 (ныне Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова) запущена самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция.

1947 В Великобритании принято решение о разработке ядерного оружия, начинается реализация собственной, независимой от США программы исследований под руководством Уильяма Пенни. Построен первый британский ядерный реактор.

1948 В июне запущен в эксплуатацию первый промышленный уран-графитовый ядерный реактор А-1 по наработке плутония на комбинате “Маяк” (Челябинская область).

1949 29 августа проведено успешное испытание первой советской атомной (плутониевой) бомбы на Семипалатинском полигоне (Казахстан).

1949 Начато получение высокообогащённого урана на газодиффузионном заводе Д-1 Уральского электрохимического комбината в Свердловской области.

1950 США объявляют о намерении создать водородную бомбу.

1952 3 октября проведён успешный взрыв первой британской атомной бомбы у западного берега Австралии. В этом же месяце США в тихоокеанском атолле Эниветок взрывают первую водородную бомбу “Майк”.

1953 12 августа проводится первое пробное испытание советской водородной бомбы на Семипалатинском полигоне. СССР впервые в мире создал компактное (бомба помещалась в бомбардировщик Ту-16) термоядерное изделие. К тому времени США «имели в наличии» термоядерное устройство размером с трёхэтажный дом.

1957 Первая британская водородная бомба успешно испытана у острова Рождества в Индийском океане. 4 октября Советский Союз объявляет об успешном запуске межконтинентальной баллистической ракеты (МБР).

1960 13 февраля на юго-западе Сахары испытана первая атомная бомба Франции.

1960 США развёртывают первые оперативные МБР. Приняты на вооружение первые американские подводные лодки “Поларис” с ядерными ракетами на борту. Первый пуск ракеты «Поларис А1» из-под воды был произведён 20 июля 1960 года с АПЛ «Джордж Вашингтон».

1960 3 сентября родился автор этой статьи.

1960 12 ноября 1960 года в состав советского Военно-морского флота был передан первый в СССР атомный подводный ракетоносец — подлодка К-19. Она стала первой советской подводной лодкой с баллистическими ракетами на борту и атомной энергетической установкой.

1961 30 октября в СССР на ядерном полигоне Новая Земля взорвана самая мощная водородная бомба. Измеренная мощность взрыва составила 58,6 мегатонны в тротиловом эквиваленте. Бомба внесена в книгу рекордов Гиннесса как самое мощное термоядерное устройство, прошедшее испытание

1963 5 августа в Москве был подписан Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой (также известен как Московский договор). Сторонами договора являлись СССР, США и Великобритания

1964 16 октября в пустыне Синг Куанг испытана атомная бомба Китая.

1974 18 мая в пустыне Тар в Раджастане взорвано атомное устройство Индии.

1998 28 мая взрыв атомной бомбы в Пакистане.

2006 9 октября осуществлен взрыв атомной бомбы в Северной Корее.

3. Триумф науки: как идеи англичан, немцев и итальянцев легли в основу американской атомной бомбы

Осенью 1934 г. группа молодых итальянских физиков, из которых самому младшему — Бруно Понтекорво — было 20, а самому старшему — Ферми всего 33, увлечённо экспериментировала. В 1932 г. Джеймс Чэдвик открыл нейтрон.

Энрико Ферми — великий итальянский физик. 
Author: Department of Energy. Office of Public Affairs
Энрико Ферми — великий итальянский физик. Author: Department of Energy. Office of Public Affairs

Ферми с коллегами облучали нейтронами химические элементы и описывали свойства новых радиоизотопов, которые они при этом получили. Среди множества элементов, которые Ферми облучил медленными нейтронами в ту памятную осень 1934 г., был и уран. Подобно большинству других элементов, после облучения нейтронами он становился 𝞫-активным, то есть испускал электрон. К тому времени учёные знали о двух типах радиоактивного превращения элементов: 𝛂- и 𝛃-распаде. При этом радиоактивный элемент превращался либо в элемент, находящийся на две клетки левее в Периодической таблице при 𝛂-распаде, либо в элемент, находящийся на одну клетку правее в Периодической таблице при 𝛃-распаде. Однако, при химическом анализе образующихся при облучении урана медленными нейтронами элементов получалась необъяснимая картина с элементами примерно в 2 раза легче исходного урана. Но никак ни его “соседи” по Периодической таблице. Однако ведущие учёные (физики и радиохимики) 4 года “топтались” на месте и не могли додуматься до простой идеи о делении ядра урана на 2 осколка и выделении при этом огромной энергии в соответствии с формулой Эйнштейна Е = mc² . Физики 4 года (!) списывали эти результаты на ошибки химиков-аналитиков. И только О. Ган, Ф. Штрассман и их коллеги Лизе Мейтнер с племянником Отто Фришем в конце 1938 года наконец-то поверили результатам анализа продуктов облучения урана медленными нейтронами и пришли к выводу о делении ядер урана на 2 осколка (𝛃-активных) и выделении при этом огромного количества энергии.

Поздно вечером 21 декабря 1938 г. Отто Ган и Фриц Штрассман закончили статью, в которой вынуждены были признать, что при облучении урана медленными нейтронами возникают элементы барий, лантан и церий. Пауль Розбауд, издатель еженедельника Naturwissenschaften, вставил статью в готовый к выходу номер, и уже 6 января 1939 г. она была напечатана. Эта статья оказалась тем камнем, который увлекает за собой лавину: только в течение 1939 г. было опубликовано свыше ста работ по проблеме деления урана. Это время и следует считать началом истории создания ядерного оружия.

Как сказал февральским вечером 1939 г. историограф “Манхэттенского проекта” и редактор по вопросам науки газеты “Нью-Йорк таймс” Уильям Лоуренс после заседания Американского физического общества в Колумбийском университете, где Нильс Бор и Энрико Ферми рассказали о последствиях расщепления ядра атома урана: “В этот вечер в нашу жизнь вошёл атом”.

Лиза Мейтнер и Отто Хан в лаборатории Author: Unknown author
Лиза Мейтнер и Отто Хан в лаборатории Author: Unknown author

Фриц Штрассман, открывший совместно с Отто Хан расщепление урана, 
Photo from source: www.atomicarchive.com
Фриц Штрассман, открывший совместно с Отто Хан расщепление урана, Photo from source: www.atomicarchive.com

26 января 1939 г. в Вашингтоне открылась конференция по теоретической физике, на которой Нильс Бор рассказал о захватывающих событиях последнего месяца. Выступая вслед за Бором, Энрико Ферми обратил внимание на то, что при делении ядер урана, кроме двух ядер-осколков, должно испускаться несколько нейтронов, которые, в свою очередь, могут вызвать последующие деления, т.е. в уране возможна цепная реакция с выделением огромной энергии. Заключение Ферми было очень естественным, однако противоречило наблюдаемым фактам: никто никогда не видел, чтобы кусок урана взрывался при облучении его нейтронами. Размышляя над этим противоречием, Нильс Бор вспомнил, что четыре года назад Артур Демпстер с помощью своего усовершенствованного масс-спектрометра обнаружил редкий изотоп урана-235, причём оказалось, что природный уран на 99,28% состоит из изотопа уран-238 и лишь на 0,72% — из изотопа уран-235. Бор предположил, что медленными нейтронами делится уран-235, а нейтроны, которые при делении ядер испускаются, сразу же поглощаются ядрами урана-238.

Так возникла первая большая проблема атомной энергетики: разделение изотопов урана. Вначале её считали настолько неприступной, что в течение двух лет о ней практически не думали. В самом деле, казалось невероятным, что когда-нибудь удастся разделить химически совершенно идентичные атомы изотопов урана, массы которых различаются всего на 1,5%. Но война меняет представления о границах возможного: уже в 1944 г. были построены и работали заводы по разделению изотопов урана — огромные корпуса шириной в полкилометра и в километр длиной, потреблявшие энергию электростанции, равной по мощности Днепрогэсу. Но за 5 лет до этого не было даже каких-то реальных технологических решений — как выделить из природного урана изотопически чистый уран-235. Плутоний ещё не существовал как химический элемент.

После прихода к власти Гитлера в 1933 г. в Германии началось отстранение от работы учёных и академиков-евреев, включая Альберта Эйнштейна и Лео Сцилларда, которые в конце концов бежали в США. Лиза Мейтнер, у которой в роду были евреи, в 1938 г. тоже перебралась в нейтральную Швецию. Энрико Ферми оказался в США, потому что его родина, Италия, оказалась союзницей Гитлера и проводила нацистскую расовую политику, а жена Ферми Лаура имела еврейское происхождение. У Нильса Бора мама была еврейка.

Сциллард, как и многие учёные-беженцы, опасался, что нацисты обратят внимание на открытие Гана и Штрассмана, займутся цепной реакцией, а потом создадут атомную бомбу. Полагая так, они не заблуждались. Недавно Германия прекратила продажу урана из Чехословакии, незадолго до этого оккупированной, сформировала немецкую научно-исследовательскую группу по проблемам цепной реакции.

Сциллард обратился к Эйнштейну с просьбой написать письмо президенту США Рузвельту. 2 августа 1939 г. Эйнштейн подписал письмо и передал его экономисту Александру Саксу — другу и неофициальному советнику Франклина Рузвельта. В письме описывалась возможность создания бомбы нового типа на основе цепной реакции в большой массе урана. Предлагалось привлечь внимание к обеспечению поставок урана для США, а также создать фонды для финансирования лабораторий и закупок оборудования. Рузвельт осознавал опасность нацистской угрозы, однако единственное, что он смог реально сделать с точки зрения перспективы разработки атомной бомбы, это создать небольшую секретную рабочую комиссию, поручив ей встретиться со Сциллардом и другими физиками, чтобы изучить урановую проблему. В результате было решено выделить 6000 долларов для финансирования опытов Ферми в Колумбийском университете.

Британское правительство в апреле 1940 г. создало собственную секретную комиссию, которая в июне обратилась к немецкому (еврейского происхождения) учёному-беженцу Францу Симону, работавшему в Оксфорде, с предложением заняться проблемой производства U-235. Симон усовершенствовал процесс газовой диффузии с целью выработки обогащённого изотопа урана, необходимого для создания бомбы.

Франц Ойген Симон — автор идеи разделения изотопов урана газодиффузионным методом
Author	unknown (British Governement Photograph)
Франц Ойген Симон — автор идеи разделения изотопов урана газодиффузионным методом Author unknown (British Governement Photograph)

Превращая уран в газ (гексафторид урана) и пропуская газ через полупроницаемые мембраны (перегородки, пропускающие только вполне определённые частицы), U-235 можно было конденсировать и превращать в чистый металл. В декабре Симон выступал с отчётом перед комиссией, при этом он объяснил принцип процесса, а также обосновал технические требования к промышленному предприятию и необходимые затраты. Британский физик Джеймс Чедвик, являвшийся членом комиссии и ошеломлённый услышанным, сказал, что он, наконец, понял, что “создание ядерной бомбы не только возможно, но и неизбежно. Теперь я смогу уснуть, только приняв снотворное. Это единственное эффективное лекарство”.

Схема разделения изотопов урана-238 и урана-235 газодиффузионным методом
Источник: http://edu.strana-rosatom.ru/glava-3-yadernoe-toplivo/
Схема разделения изотопов урана-238 и урана-235 газодиффузионным методом Источник: http://edu.strana-rosatom.ru/glava-3-yadernoe-toplivo/

При проведении опытов в Беркли физиком Гленном Сиборгом, которому помогал аспирант Артур Валь, был открыт новый элемент, получавшийся при бомбардировке урана. Когда нейтрон сталкивался с ядром U-238, возникал короткоживущий изотоп U-239. При 𝞫-распаде U-239 превращался с периодом полураспада 23,5 минуты в 93 элемент, названный нептунием. Нептуний-239 также распадается с периодом полураспада 2,3 суток по схеме 𝞫-распада в следующий за ним в Периодической таблице 94 элемент. Pu-239 — новый элемент, названный “плутонием”. Плутоний был открыт в феврале 1941 г.

Идея об использовании этого элемента в качестве материала для бомбы была выдвинута англичанами Эгон Бретшер (швейцарец по происхождению) и Норман Фезер. К аналогичному выводу независимо друг от друга пришли Эдвин Макмиллан и Филип Абельсон из радиационной лаборатории Беркли. Плутоний-239, как и уран-235, может вступать в цепную реакцию. При этом его, в отличие от разделения урана-235 и урана-238, можно отделять химическими методами, что очень упрощает накопление ядерного материала.

Схема превращения урана-238 в плутоний-239. Автор: Светлана Васильева
Схема превращения урана-238 в плутоний-239. Автор: Светлана Васильева

Гленн Сиборг — великий радиохимик, автор открытия плутония и ещё 9 элементов Периодической таблицы
Source: Glenn Seaborg at the MSRE control panel, Author: Oak Ridge National Laboratory
Гленн Сиборг — великий радиохимик, автор открытия плутония и ещё 9 элементов Периодической таблицы Source: Glenn Seaborg at the MSRE control panel, Author: Oak Ridge National Laboratory

4. "Манхэттенский проект"

В январе 1942 года физик Артур Комптон создал в Чикагском университете так называемую "Металлургическую лабораторию". В ней проводились работы по созданию “урановых печей” — ядерных реакторов, в которых цепная реакция должна была возникать в результате”сжигания” урана как источника энергии. Энрико Ферми переехал в Чикаго, чтобы продолжить работу по определению критической массы.

В это же время аналогичной задачей занялась другая группа — в Калифорнийском университете под руководством Роберта Оппенгеймера. В начале весны 1942 г.

38-летний Оппенгеймер, сын немецкого иммигранта, принял на себя руководство группой физиков-теоретиков. Оппенгеймер был сообразителен, остроумен, ироничен и талантлив. Через год после подключения к проекту Оппенгеймер быстро выдвинулся и стал руководителем новой лаборатории, которой было суждено создать атомную бомбу.

В августе 1942 г. была создана служба при правительстве США, обладавшая правами, экспертными полномочиями в области проектирования, инженерного сопровождения, руководства проектами и производства. Именно поэтому ей и было поручено руководить атомным проектом. Чтобы замаскировать характер деятельности службы и её сверхсекретное предназначение, ей дали безобидное название — “Инженерный округ Манхэттена” (“Manhattan Engineer District”); соответственно, работам по созданию бомбы было присвоено кодовое название “Манхэттенский проект” (“Manhattan Project”). Первоначально им руководил полковник Джеймс Маршалл, но в середине сентября в “округе” появился новый офицер с командными правами.

Полковник Лесли Гровс был трудолюбив, умён и обладал способностью быстро доводить до конца крупные проекты. Незадолго до этого он курировал строительство Пентагона — в то время самого крупного административного здания в мире. Приняв командование 17 сентября, Гровс подписал контракт на добычу урана в канадской Арктике и закупил 1250 тонн урановой руды, которую, опередив немцев, удалось вывезти из Бельгийского Конго (ныне Зимбабве). Гровс также приобрёл земельные участки для строительства предприятий по производству U-235 — и всё это в течение первых двух дней работы. Через неделю, чтобы наделить Гровса необходимыми полномочиями, ему присвоили звание бригадного генерала.

Л. Гровс — руководитель “Манхэттенского проекта”, Р .Оппенгеймер — научный руководитель   “Манхэттенского проекта”
Source: https://aurorasito.files.wordpress.com/2013/01/clip_image011.jpg 
Author: Unknown author
Л. Гровс — руководитель “Манхэттенского проекта”, Р .Оппенгеймер — научный руководитель “Манхэттенского проекта” Source: https://aurorasito.files.wordpress.com/2013/01/clip_image011.jpg Author: Unknown author

Пока Гровс занимался вопросами строительства заводов для обогащения урана, Энрико Ферми со своей группой в Чикагском университете пытался выяснить, как лучше всего запустить и остановить цепную реакцию. В конце июля 1942 г. в лабораторию поступила первая партия U-235, а уже через месяц команда Ферми построила и испытала макетный реактор. В макетном реакторе такую реакцию запустить не удалось, так как требовался более мощный реактор. С сентября по ноябрь команда Ферми получила большие партии графита и 3 тонны урана. В подтрибунном помещении заброшенного корта для игры в сквош стадиона “Стагг Филд” 16 ноября они начали строительство окончательного варианта реактора и работали круглосуточно. Новый реактор назвали СР-1 (Chicago Pile-1 — “Чикагская поленница-1”); в нём были слои из графитовых блоков, которые учёные подгоняли по форме вручную, а между ними слой за слоем прокладывали уран. Были изготовлены стальные стержни с большим содержанием бора. Эти стержни, с целью управления выделением нейтронов, можно было медленно поднимать, а затем опять опускать в реактор. Через 25 дней реактор был готов. 2 декабря Ферми и его команда (20 учёных) собрались на балконе. Добровольцы наклонились над реактором, в руках у них были вёдра с жидким кадмием. Они были готовы пожертвовать собой и погасить реактор, если реакция пойдёт вразнос.

Художник Гэри Шихан «Рождение атомной эры», на картине: 2 декабря 1942 г. Энрико Ферми с учеными наблюдает за работой первого ядерного реактора, 
Источник:  Аргоннская национальная лаборатория
Художник Гэри Шихан «Рождение атомной эры», на картине: 2 декабря 1942 г. Энрико Ферми с учеными наблюдает за работой первого ядерного реактора, Источник: Аргоннская национальная лаборатория

Артур Комптон вспоминал: “Были подняты все управляющие стержни, кроме одного. Ферми приказал поднять последний управляющий стержень ещё на один фут. Счётчики Гейгера начали щёлкать всё быстрее, потом щелчки превратились в сплошной треск. Реакция продолжала развиваться, возникла опасность возможного излучения из реактора. “Быстрее опускайте стержни”, — последовала команда Ферми. Треск счётчиков вновь превратился в отдельные щелчки. Таким образом, впервые произошло высвобождение внутриядерной энергии, причём этот процесс был управляем и остановлен”.

Реактор проработал 28 минут. Выработанной при этом опыте энергии хватило бы на питание всего одной электрической лампочки, однако в действительности был сделан очередной важнейший шаг на рассвете атомной эры. Было сформулировано условие, при котором цепная реакция возможна. Это простая и знаменитая “формула четырёх сомножителей”. Ещё одно явление, подаренное природой, сделало возможным осуществлять цепную реакцию “невзрывного” характера. Было обнаружено, что некоторое количество нейтронов вылетает при делении урана не вместе с осколками, а чуть позже, примерно через 10 секунд. Доля запаздывающих нейтронов всего 0,69% от общего числа нейтронов, но она позволяет управлять работой ядерного реактора.

В отдалённых районах на территории США, по распоряжению Гровса, начали возводить новые заводы по обогащению урана-235 и производству плутония. А в безлюдном месте штата Нью-Мексико возникла новая, сверхсекретная лаборатория Лос-Аламос. Под её крышей собрались учёные, которые должны были изготовить оружие для практического применения ядерного материала.

“Манхэттенский проект” был одним из самых секретных проектов в истории США. В нём участвовало более 130 000 людей, и на его реализацию было потрачено более 2 миллиардов долларов (эквивалентно 23 миллиардам долларов в 2023 году).

На территории США были созданы несколько секретных объектов, включая комплекс Хэнфорд в штате Вашингтон, где был произведен большой объем плутония, и комплекс Ок-Ридж в штате Теннесси, где производился обогащенный уран.

Поражают сроки строительства и ввода в эксплуатацию объектов “Манхэттенского проекта”.

Строительство комплекса Хэнфорд началось в марте 1943 года. Численность строителей достигала пика в 45 000 человек в июне 1944 года. Было построено 554 здания, в том числе три ядерных реактора (B, D и F) мощностью 250 мегаватт каждый. Реактор B заработал в сентябре 1944 года и в ноябре получили первый плутоний. Облученные топливные элементы были доставлены на две огромные дистанционно управляемые установки химического разделения (T и B) длиной 250 м. Первая партия плутония была переработана на заводе "Т" в период с декабря 1944 по февраль 1945 года и доставлена в Лос-Аламосскую лабораторию “Манхэттенского проекта”. Идентичные реакторы D и F были введены в эксплуатацию в декабре 1944 и феврале 1945 годов соответственно

Газодиффузионный завод для производства U-235 в Ок-Ридже в 1944 г.
Источник: https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.b5fc96f8-6467521a-3def2e6f-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/File:K-25_(7609929206).jpg
Газодиффузионный завод для производства U-235 в Ок-Ридже в 1944 г. Источник: https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.b5fc96f8-6467521a-3def2e6f-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/File:K-25_(7609929206).jpg
“Реактор В” комплекса “Хэнфордский инженерный завод” в июне 1944 г.
Автор: Инженерный корпус армии США
“Реактор В” комплекса “Хэнфордский инженерный завод” в июне 1944 г. Автор: Инженерный корпус армии США

5. Заключение

История создания атомной бомбы уникальна во многих отношениях: по значимости проблемы, обстоятельствам, сопутствовавшим её решению, и последствиям, которые ещё далеко не осознаны.

Стремление обладать ядерным оружием огромной энергии привело человечество к чистой, безуглеродной ядерной энергетике, медицине на основе радиоактивных изотопов, перспективе использовать ядерную энергию в межпланетных полётах.

Оглядываясь назад, трудно удержаться от удивления, насколько узкой оказалась тропа и сколь хрупким мостик из века угля и нефти в эпоху атома и ядра. Ведь любой из четырёх сомножителей в формуле для коэффициента размножения нейтронов мог оказаться на 5–10% меньше — и реактор на природном уране был бы невозможен. А если бы не запаздывающие нейтроны, то управление реактором стало бы специальной и трудной проблемой. Но главное чудо, конечно, это уран-235: по счастливой случайности или промыслу судьбы период его полураспада не слишком мал (700 млн. лет) и поэтому он не весь распался до наших дней.

Благодарность

В подготовке статьи использованы неустаревающие материалы из книг, доставшихся мне в наследство от моего отца Васильева Виктора Николаевича:

П.Т. Асташенков, Атомная промышленность, Военное издательство Министерства обороны Союза ССР, М., 1956

У.Л. Лоуренс, Люди и атомы. Открытие, использование и будущее атомной энергии, Атомиздат, М., 1967

Джеймс П. Дельгадо, Атомная бомба. Манхэттенский проект. Начало нового отсчёта истории человечества, ЭКСМО, М., 2011

Л.И. Пономарёв, Под знаком кванта, Физматлит, М., 2012

Создание первой советской ядерной бомбы под ред. В.Н. Михайлова, Энергоатомиздат, М., 1995

С чувством благодарности отмечаю, что последняя книга подарена мне другом и одногруппником Сигединым Андреем. Хочу поблагодарить за постоянную помощь в подготовке статьи, поддержку и любовь мою жену Светлану.

=======

Если вы нашли материал интересным, я приглашаю вас подписаться на мой канал, чтобы получать уведомления о новых материалах. Кроме того, не забывайте ставить лайки и делиться статьей с друзьями, чтобы больше людей смогли узнать об этом контенте. Давайте продолжим идти дальше вместе!

Предлагаю вам пройти тест по прочитанному материалу