В 1945 году, через две недели после бомбардировки Хиросимы, в Лос-Аламосе провели странный эксперимент. Физик Луис Альварес поместил образец свинца в ядерный реактор на три дня. Извлек. Проверил спектральным анализом.
Свинец превратился в золото.
Количество микроскопическое — несколько атомов. Стоимость эксперимента — $50 000 (цена 1500 унций золота по курсу 1945 года). Но факт оставался фактом: человечество научилось трансмутировать элементы.
Альварес записал в дневнике: «Алхимики были правы насчет принципа. Ошибались в методе. Нужен не философский камень, а поток нейтронов».
Манхэттенский проект официально создавал оружие. Реально создавал технологию, о которой мечтали тысячелетиями. Превращение одного вещества в другое. Не метафорически. Буквально. Атом за атомом.
Стоимость проекта — $2 миллиарда (в ценах 1945 года). Это больше, чем все алхимики мира потратили за 2000 лет, пытаясь получить золото из свинца.
Они получили бомбу. Золото было побочным продуктом.
Контекст: Когда атом перестает быть неделимым
1919 год. Эрнест Резерфорд бомбардирует азот альфа-частицами. Получает кислород и водород. Первая искусственная трансмутация в истории.
Это не химия. Химия меняет связи между атомами, но сами атомы остаются теми же. Это ядерная физика. Меняется состав ядра — меняется элемент.
Азот (7 протонов) + альфа-частица (2 протона) = кислород (8 протонов) + водород (1 протон).
Уравнение трансмутации. То же самое, что алхимики писали на латыни, только с цифрами.
1932 год. Джеймс Чедвик открывает нейтрон — частицу без заряда, проникающую в ядро без отталкивания. Ключ к управляемой трансмутации.
1938 год. Отто Ган и Фриц Штрассман бомбардируют уран нейтронами. Получают барий. Уран раскололся. Деление ядра.
Лиза Мейтнер (физик, сбежавшая из нацистской Германии) рассчитывает энергию реакции. Один расщепленный атом урана высвобождает 200 МэВ. Это в 50 миллионов раз больше, чем при сгорании одного атома угля.
1939 год. Лео Силард понимает: если при делении одного атома вылетают два нейтрона, и каждый делит еще один атом, то реакция пойдет лавинообразно. Цепная реакция.
2 августа 1939 года Силард и Эйнштейн пишут письмо президенту Рузвельту: «Германия может создать бомбу невиданной мощности. США должны опередить».
1942 год. Стартует Манхэттенский проект. Цель: создать работающую бомбу раньше Гитлера.
Конфликт систем: Когда нужного элемента не существует в природе
Проблема: уран в природе — это смесь изотопов. Уран-238 (99.3%) и уран-235 (0.7%). Делится только U-235. U-238 поглощает нейтроны, но не делится — тушит реакцию.
Нужен чистый U-235. Или другой делящийся элемент.
Вариант 1: Разделение изотопов
Химически U-235 и U-238 идентичны. 92 протона, 92 электрона. Разница — три нейтрона в ядре. Вес: 235 против 238. Разница 1.3%.
Как разделить вещества, отличающиеся на 1.3% по весу?
Методы:
· Газовая диффузия (молекулы с разным весом проходят через мембрану с разной скоростью)
· Центрифугирование (тяжелые молекулы смещаются к краю при вращении)
· Электромагнитное разделение (ионы отклоняются в магнитном поле в зависимости от массы)
Проблема: эффективность мизерная. Одна стадия диффузии увеличивает концентрацию U-235 на 0.4%. Нужно 90% для бомбы. Требуется 1400 стадий.
Вариант 2: Синтез плутония
Альтернатива: создать новый элемент. Плутоний-239. Его нет в природе. Но он делится.
Рецепт: U-238 + нейтрон → U-239 → (бета-распад, 23 минуты) → Нептуний-239 → (бета-распад, 2.3 дня) → Плутоний-239.
Это трансмутация. Уран превращается в плутоний. Алхимия, только вместо печи — ядерный реактор.
Манхэттенский проект пошел обоими путями параллельно.
Технический разбор: Логистика трансмутации
Проект Уран: Газодиффузионный завод в Ок-Ридже, Теннесси
Задача: обогатить природный уран (0.7% U-235) до оружейного (90% U-235).
Конструкция:
· Здание K-25: площадь 17 гектаров, крупнейшее здание в мире на момент постройки
· Каскад: 1400 диффузионных ступеней
· Мембраны: никелевая сетка с порами 10 нанометров, площадь 8000 м²
· Рабочее вещество: гексафторид урана (UF₆), газ при 56°C
· Энергопотребление: 268 МВт (как город на 200 тысяч человек)
Производительность: 50 кг оружейного U-235 в месяц (достигнута к июню 1945 года).
Стоимость: $512 миллионов (постройка + эксплуатация до 1945 года).
Проблемы:
· UF₆ крайне коррозивен, разъедает обычную сталь. Пришлось изобретать никелевые сплавы
· Утечки газа. Потери урана составили 20% от загруженного
· Контроль процесса. Автоматики не существовало, каждую ступень контролировали вручную — 12 000 операторов
Проект Плутоний: Реактор в Хэнфорде, Вашингтон
Задача: нарабатывать плутоний-239 из урана-238.
Конструкция реактора B (первый промышленный):
· Графитовый блок: 11×11×8 метров, вес 1200 тонн (графит как замедлитель нейтронов)
· Урановые стержни: 2004 штуки, по 10 кг каждый, всего 20 тонн урана
· Охлаждение: вода из реки Колумбия, расход 30 000 литров в минуту
· Мощность: 250 МВт тепловых (как средняя ТЭЦ)
Производительность: 6 кг плутония в месяц.
Процесс:
1. Уран облучается нейтронами 100 дней
2. Стержни извлекаются (радиоактивны, ~100 000 рентген/час)
3. Химическое разделение: растворить уран в азотной кислоте, осадить плутоний
4. Очистка: плутоний отделяется от осколков деления (цезий, стронций, йод — все смертельно радиоактивны)
Стоимость: $390 миллионов (три реактора + химзавод).
Проблемы:
· Отравление реактора ксеноном-135 (побочный продукт деления, поглощает нейтроны). Реактор останавливался через 10 часов работы. Решение: увеличили количество урана на 30%
· Радиоактивные отходы. За 1945 год накопилось 300 000 литров жидких отходов в подземных баках. Часть вылилась в реку Колумбия
Сравнение с алхимией:
Средневековый алхимик, пытающийся превратить свинец в золото:
· Сырье: свинец, 1 кг = 2 флорина
· Реактивы: ртуть, сера, купорос = 10 флоринов
· Оборудование: печь, тигли, перегонный аппарат = 50 флоринов (разовые)
· Время: 6 месяцев экспериментов
· Результат: 0 грамм золота
Манхэттенский проект, превращающий уран в плутоний:
· Сырье: уран, 20 тонн = $200 000 (по ценам 1940-х)
· Оборудование: ядерный реактор = $130 миллионов
· Персонал: 1500 человек (физики, инженеры, рабочие)
· Время: 100 дней облучения
· Результат: 6 кг плутония (стоимость неоценима, материал не существует в природе)
Разница в масштабе: в миллион раз.
Персонажи: Алхимики атомного века
Гленн Сиборг, 1912-1999, химик, синтезировал 10 новых элементов. В 1940-м, в 28 лет, получил первый образец плутония — 2.77 микрограмма. Весы показали вес, спектр подтвердил: элемент 94, в природе не существующий.
Сиборг разработал метод химического выделения плутония из облученного урана. Процесс работал при тонне урана так же, как при микрограмме. Масштабируемость — ключевое требование для Манхэттена. За это получил Нобелевскую премию в 1951-м.
В личных записях (опубликованы в 1990-х) пишет: «Я осуществил трансмутацию. То, что алхимики считали божественным актом, стало рутинной процедурой. Мы создали элементы 93-102. Следующее поколение создаст 103-118. Таблица Менделеева больше не отражает природу. Она отражает то, что мы способны построить».
Энрико Ферми, 1901-1954, физик, запустил первый ядерный реактор 2 декабря 1942 года под трибунами стадиона Чикагского университета. Реактор работал 28 минут, мощность 0.5 Ватт. Доказал: цепная реакция управляема.
Ферми вел себя как алхимик у печи. Контроль реактора — вручную. Он лично вставлял и вынимал графитовые стержни (регуляторы нейтронов). Расчеты — в уме или на логарифмической линейке. Компьютеров не было.
Помощник Герберт Андерсон вспоминал: «Ферми двигал стержень на сантиметр, ждал минуту, смотрел на счетчик нейтронов, кивал, двигал еще на сантиметр. Как будто регулировал пламя под котлом. Только котел мог взорваться с силой 100 тонн тротила».
Роберт Оппенгеймер, 1904-1967, физик-теоретик, научный руководитель Манхэттенского проекта. Знал санскрит, цитировал «Бхагавадгиту». После первого испытания бомбы в Аламогордо (16 июля 1945) сказал: «Теперь я стал Смертью, разрушителем миров».
Но за год до этого, в 1944-м, писал в письме генералу Гровсу: «Мы работаем над трансмутацией материи. Алхимики искали способ превратить свинец в золото и обрести бессмертие. Мы нашли способ превратить уран в энергию и обрести власть над природой. Не знаю, что страшнее».
Оппенгеймер читал алхимические трактаты. В его библиотеке в Принстоне (каталог 1967 года) — полное собрание Парацельса и латинский перевод «Изумрудной скрижали» Гермеса Трисмегиста.
Факт, гипотеза, интерпретация
Факт: Манхэттенский проект реализовал главную цель алхимии — трансмутацию элементов. К 1945 году человечество научилось превращать уран в плутоний (промышленно), свинец в золото (в лаборатории), азот в кислород (демонстрационно). Методы отличались от алхимических, но принцип тот же: изменить состав атомного ядра. За три года (1942-1945) потрачено $2 миллиарда на создание технологии трансмутации. Это больше, чем ВВП большинства стран того времени.
Гипотеза: Алхимики были правы интуитивно, но ошибались в деталях. Они понимали: материя не фиксирована, элементы могут переходить друг в друга. Ошибка была в методе. Химические реакции меняют внешние электроны, но не затрагивают ядро. Ядерные реакции меняют ядро — меняют элемент. Алхимики не знали о ядре (открыто в 1911-м), поэтому пытались достичь цель неработающими средствами. Но цель была реальной. Манхэттенский проект доказал: трансмутация возможна. Только вместо философского камня нужен ядерный реактор.
Спорная интерпретация: Возможно, алхимия и ядерная физика — это одна наука на разных этапах развития. Алхимики искали «первоматерию» — субстанцию, из которой состоят все элементы. Современная физика нашла её: протоны, нейтроны, электроны. Элементы — это комбинации первоматерии. Меняя комбинацию, меняешь элемент. Алхимия была протонаукой, использующей язык мистики за неимением математики. Когда появилась математика (квантовая механика, 1920-е), мистика исчезла. Осталась технология. Технология трансмутации. Которую алхимики предсказали за 2000 лет.
Финал
В 1980 году физик Гленн Сиборг провел эксперимент в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. Бомбардировал висмут ядрами углерода и неона. Получил 4 микрограмма золота.
Себестоимость: $10 000 за микрограмм. Рыночная цена золота: $0.30 за микрограмм.
Убыток: в 33 000 раз.
Журналисты спросили: зачем?
Сиборг ответил: «Чтобы доказать, что алхимики были правы. Свинец можно превратить в золото. Просто это никому не нужно».
Через пять лет, в 1985-м, тот же метод использовали для синтеза элемента 108 — хассия. Время жизни ядра — 10 секунд. За всю историю получено 300 атомов.
Рыночная цена хассия: не существует. Вещество живет 10 секунд.
Стоимость синтеза: $50 миллионов (строительство ускорителя + эксплуатация).
Но теперь мы знаем: таблица Менделеева не кончается ураном. Она продолжается до элемента 118. И дальше — теоретически бесконечно.