Вместо тысячи солнц. История ядерной бомбы, рассказанная её создателями

При обсуждении выбора замедлителя в нашей группе, которая работала над этой проблемой в Колумбийском университете в течение 1939–1940 гг. и в которую входили Джордж Пегрэм, Лео Сцилард и Герберт Андерсон, мы пришли к выводу, что наиболее обещающие возможности открывает использование графита. Этот вывод был сделан главным образом потому, что графит можно было легко получить. Весной 1940 г. в Колумбийском университете мы начали экспериментальные исследования свойств графита, используя несколько тонн этого вещества, полученных нами через председателя Уранового комитета, д-ра Бриггса. Работа шла по двум направлениям: определялись характеристики поглощения нейтронов в графите и изучалась его эффективность как замедлителя нейтронов. Эксперименты проводились следующим образом. Из графита сооружалась квадратная колонна высотою несколько футов. На оси колонны помещался небольшой источник нейтронов – несколько граммов бериллия, смешанных с радоном или радием. Испущенные источником нейтроны диффундируют по колонне и постепенно замедляются до энергий теплового движения; они продолжают диффундировать и после этого, пока не будут поглощены или не выйдут за пределы колонны. С помощью детекторов, чувствительных к нейтронам различных энергий, были изучены пространственные и энергетические распределения нейтронов по всему объему колонны. Для интерпретации этих результатов служила математическая теория процесса диффузии. Такие исследования позволили разработать математический метод довольно точного расчета всей «истории жизни» нейтрона, начиная с момента его испускания, как быстрого нейтрона, и кончая его поглощением.

В то же самое время были начаты работы по определению избыточного числа нейтронов, испускаемых естественным ураном при поглощении теплового нейтрона. Так как значительная доля тепловых нейтронов, поглощаемых ураном, захватывается U²³⁸ и не приводит к делению, то этот избыток оказывается не очень большим. Для того чтобы этот избыток остался положительным, позволяющим цепной реакции развиваться, чрезвычайно важно уменьшить до минимума возможные паразитные потери. Весьма существенного снижения паразитных потерь, происходящих во время замедления нейтронов, удается добиться с помощью простой уловки. Вместо того чтобы равномерно распределять уран по объему графита, его можно расположить в виде блоков, образующих в графите решетку некоторой подходящей конфигурации. При таком расположении уменьшается вероятность столкновения с атомом урана для еще не замедлившихся нейтронов, имеющих энергию, при которой паразитное поглощение особенно велико.

Работа над повышением эффективности этого метода, проводившаяся группой Колумбийского университета, была весьма существенным образом усилена сотрудничеством с новой исследовательской группой, созданной в Принстонском университете. К весне 1941 г. было накоплено достаточно сведений о деталях процесса, чтобы получить довольно ясное представление о важности различных факторов и о наилучших способах сведения к минимуму нежелательных эффектов.

Вообще говоря, в принципе возможно было бы измерить с большой точностью характеристики поглощения и рассеяния нейтронов для всех энергий и для всех необходимых веществ. Затем эти результаты можно было бы подставить в теоретические выражения, причем теория процесса должна быть разработана настолько тщательно, чтобы быть в состоянии предсказать достаточно точно, как поведет себя данная система. Иными словами, можно было бы пытаться получить ответ на вопрос, будет ли развиваться цепная реакция в данной системе, только с помощью вычислений. Практическая осуществимость такой программы не внушала особого доверия. Мы знаем теперь, что положительный избыток, который и делает возможной цепную реакцию, в уран-графитовой системе составляет всего несколько процентов. Поскольку в конечный результат входит множество величин, описывающих поглощение и образование нейтронов, ясно, что они по отдельности должны быть известны крайне точно, чтобы теоретические предсказания оказались возможны. Экспериментальные методы, разработанные к 1941 г., редко позволяли измерять свойства ядер с точностью лучше 10 %. Такие измерения не могли служить основой для вычислений, которые позволили бы получить надежный ответ на вопрос, возможна ли цепная реакция в системе из естественного урана и графита.