Авиация и космонавтика 2013 03

Как бы там ни было, деление ядер урана было открыто, что послужило толчком к развитию ядерной техники.

Сделаем небольшое отступление для читателей, слегка забывших курс общей физики. Для возникновения и развития цепной реакции деления необходимо, чтобы в данный момент времени число испускаемых нейтронов было больше числа поглощенных ядрами урана и других материалов, а также ушедших через поверхность образца, то есть коэффициент размножения нейтронов должен быть больше единицы. Количество испускаемых при делении нейтронов пропорционально плотности вещества и объёму, а количество уходящих нейтронов пропорционально площади поверхности образца, поэтому коэффициент размножения увеличивается с ростом его размеров. Состояние с коэффициентом размножения нейтронов, равным единице, получило название критического, а соответствующая масса вещества — критической массы. Величина критической массы зависит от формы образца, его плотности, наличия других материалов, играющих роль поглотителя или замедлителя нейтронов, поэтому состояния критичности можно достичь различными способами, иногда даже помимо желания экспериментатора.

Ко времени открытия деления ядер урана было уже известно, что природный уран представляет собой смесь двух основных изотопов — 99,3 % 238U и 0,7 % 235U. Вскоре было показано, что цепная реакция возможна в изотопе 235U.

Таким образом, задача овладения ядерной энергией сводилась к задаче промышленного разделения изотопов урана, технически очень сложной, но вполне разрешимой. В условиях начинавшейся большой войны вопрос создания атомной бомбы становился вопросом времени.

Ещё спустя некоторое время было установлено, что цепная реакция возможна в искусственном элементе — плутонии 239Ри. Его можно было получить облучая природный уран в ядерном реакторе.

Пионером в разработке ядерного оружия, можно считать Францию. Имея отлично оснащённую лабораторию в Коллеж де Франс и государственную поддержку, французы выполнили много фундаментальных работ в ядерной области. В 1930-х гг. Франция скупила все запасы урановой руды в Бельгийском Конго, что составляло половину всего мирового запаса урана. В 1940 г., после падения Франции, эти запасы на двух транспортах были переправлены в Америку. Впоследствии вся американская ядерная программа базировалась именно на этом уране.

Немецкие оккупационные власти не обратили внимания на ядерную лабораторию — такие исследования не были в Германии приоритетными. Лаборатория благополучно пережила оккупацию и сыграла ведущую роль при создании французской бомбы после войны.

В последнее время появилось много публикаций о том, что немцы близко подошли к созданию ядерной бомбы или даже имели её. Данный эпизод показывает, что это не так. В конце войны американцы послали в Европу специальную комиссию, которая шла за наступающими войсками союзников и разыскивала следы немецких ядерных исследований. Её отчёт был опубликован, в том числе и на русском языке. Единственная существенная находка — образец недостроенного ядерного реактора. Его изучение показало, что критического состояния этот реактор достичь не мог. Так что до создания бомбы немцам было очень далеко…

В Англии работы по исследованию деления урана начались позже, чем во Франции, зато сразу с четкой направленностью на создания атомного оружия. Британцы выполнили расчёт, хотя и очень приближённый, критической массы урана 235, который не превышал 100 кг, а не тонн, как предполагалось ранее. Была предложена первая работоспособная схема ядерной бомбы пушечного типа. В ней критическая масса создаётся быстрым сближением двух кусков 235U в пушечном стволе. Скорость сближения оценивалась в 1ОО0…18ОО м/с. В дальнейшем оказалось, что эта скорость была сильно завышена. В связи с уязвимым положением Великобритании под немецкими бомбами, работы были перенесены в Канаду, а потом и в США.

Работы над атомной бомбой в США начались под влиянием Англии, и физиков (как отечественных, так и эмигрировавших из Германии). Основным аргументом был вопрос — а вдруг Германия создаёт атомную бомбу? Деньги на исследования были выделены, и 2 декабря 1942 г в Чикаго был запущен первый атомный реактор на природном уране и графите, в качестве замедлителя, а 13 августа 1942 г. был создан Манхэттенский округ инженерных войск.

Так возник Манхэттенский проект, увенчавшийся созданием атомной бомбы в 1945 г.

Главным вопросом при создании бомбы, было получение пригодных для неё делящихся материалов. Природные изотопы урана — 235U и 238U имеют совершенно одинаковые химические и физические свойства, поэтому разделить их известными на то время методами было невозможно. Разница состоит в ничтожном различии в атомной массе этих изотопов. Только используя эту разницу, можно попробовать разделить изотопы.

Исследования показали практическую осуществимость четырёх методов разделения изотопов урана:

— электромагнитное разделение;

— газодиффузионное разделение;

— термодиффузионное разделение;

— разделение изотопов на высокоскоростных центрифугах.

Все четыре метода требовали строительства огромных заводов с многоступенчатым производственным процессом, потребляющих большое количество электроэнергии, требующих больших объёмов глубокого вакуума и других тонких и сложных технологий. Финансовые и интеллектуальные затраты обещали быть огромными. Тем не менее, в США были построены обогатительные заводы по первым трём методам (высокоскоростные центрифуги в то время оставались лабораторными образцами).

К концу 1945 г. производительность американской промышленности составила 40 кг оружейного урана 235 — 80 % (позже — 90 %) обогащения. Для секретности оружейный уран назвали сплав Оралой. Обогащённый уран использовался не только для создания бомбы. Уран, обогащённый до 3 %…4% нужен для создания реакторов.

В последнее время часто упоминается обеднённый уран. Здесь нужно понимать, что это уран, из которого извлекли какую то часть изотопа 235U. То есть, по сути дела, это отходы ядерного производства. Такой уран используют для легирования твёрдых сплавов, применяемых в бронебойных артиллерийских снарядах. Другое применение урана — создание некоторых красок.

Для производства оружейного плутония в Хэнфорде, шт. Вашингтон, был создан промышленный комплекс, включающий: атомные уран-графитовые реакторы, радиохимическое производство для выделения плутония из извлечённых из реакторов материалов, а также металлургическое производство. Плутоний — металл, и его нужно плавить и рафинировать.

В плутониевом цикле свои трудности: мало того, что атомный реактор сам по себе — сложнейший агрегат, требующий многих знаний и больших затрат, но и весь цикл — грязный. Всё оборудование и выпускаемая продукция были радиоактивными, что требовало применения особых методов производства и средств защиты.

Первую продукцию — металлический плутоний-239 — завод в Хэнфорде выдал в начале 1945 г. Его производительность в 1945 г. составляла около 20 кг плутония в месяц, что позволяло изготавливать в месяц до трех атомных бомб.

До середины 1942 г. разработке собственно атомной бомбы особого внимания не уделялось. Главным считалось получение для неё делящихся материалов — урана-235 и плутония-239. Для разработки и сборки атомных бомб в пустынном штате Нью-Мексико был построен закрытый научный городок Лос-Аламос (Лагерь V).

Весной 1945 г. в Лос-Аламосе действовали следующие подразделения: теоретической физики (директор X. Бете), экспериментальной ядерной физики (Дж. Кеннеди и С. Смит), военное (У. Парсонс), взрывчатых веществ (Г. Кистяковский), физики бомбы (Р. Бахер), перспективных исследований (Э. Ферми), химии и металлургии. Каждое подразделение делилось на группы по усмотрению их руководителей.

Схема атомной бомбы Mk.I Little Boy.

1 — стальной отражатель; 2 — нейтронный инициатор; 3 — мишень (три кольца из урана-235); 4 — антенна радиовысотомера Арчи (4 шт.); 5 — узел подвески бомбы; 6 — ствол пушки; 7 — корпус бомбы; 8 — электроразъём; 9 — блок автоматики подрыва; 10 — разъём корпуса; 11 — коллектор бародатчика; 12 — воздухозаборники бародатчика; 13 — цилиндрический снаряд из урана-235; 14 — затвор; 15 — электродетонатор; 16 — съёмное хвостовое оперение; 17 — пороховой заряд.