Вместо тысячи солнц. История ядерной бомбы, рассказанная её создателями

Если система имеет конечные размеры, то некоторое количество нейтронов ускользает из нее, диффундируя через граничные поверхности. Такая утечка нейтронов в принципе может быть сведена к нулю увеличением размеров системы. В 1941 г. было ясно, что даже если баланс нейтронов, необходимых для поддержания цепной реакции, и окажется положительным, то он будет настолько мал, что потребуется сооружение системы очень больших размеров, чтобы значительно уменьшить потерю нейтронов в результате утечки. Важное значение приобрела разработка методов, способных ответить на следующие вопросы: (1) Станет ли развиваться цепная реакция в системе урановых блоков, размещенных по графиту в виде решетки данного типа, если размеры системы будут бесконечно велики? (2) Если ответ на предыдущий вопрос положителен, то какие минимальные размеры потребуются в действительности для достижения цепной реакции? Такие минимальные размеры обычно называют критическими размерами котла. Метод подробных вычислений, основанный на измеренных значениях констант, не мог привести к цели – на это указывалось выше. Поэтому было необходимо разработать методы, которые давали бы ответ на поставленные вопросы более непосредственным образом.

Полагаясь лишь на силу и усердие, можно было бы начать сооружение системы данной структуры и продолжать это сооружение до тех пор, пока не будет фактически достигнута цепная реакция – или пока система, принявшая гигантские размеры, все-таки не откажется стать критической. Ясно, что такой метод потребовал бы громадных количеств материалов, времени и труда. К счастью, достаточно точный ответ на поставленные два вопроса возможно получить и с помощью довольно малого образца исследуемой структуры. Первые эксперименты такого типа, так называемые промежуточные или экспоненциальные эксперименты, были выполнены в Колумбийском университете летом и осенью 1941 г. Была создана решетчатая структура, состоявшая из банок с окисью урана, распределенных среди примерно 30 тонн графита. Снизу к этой структуре подводился первичный источник нейтронов и подробно исследовалось распределение нейтронов по объему структуры, которое затем сравнивалось с ожидаемым теоретически.

Результаты первого эксперимента были несколько расхолаживающими. Они указывали, что в системе данного типа, даже увеличенной до бесконечных размеров, баланс нейтронов будет все еще отрицательным, а выражаясь более точно – в каждом поколении будет теряться 13 % нейтронов. Несмотря на этот отрицательный ответ, надежда на успех не оставила нас. Действительно, можно было надеяться на значительные усовершенствования в первоначальной структуре, о которых будет рассказано ниже.

В начале 1942 г. все группы, работавшие над получением цепной реакции, были объединены в Металлургическую лабораторию Чикагского университета под общим руководством Артура Комптона. Там, в поисках улучшения условий первого опыта, в течение 1942 г. было выполнено около двадцати или тридцати экспоненциальных экспериментов. Улучшения шли по двум направлениям. Одно из них состояло в усовершенствовании размеров решетки, а второе – в использовании материалов лучшего качества. Оказалось, что и графит, и уран должны иметь необычайно высокую степень чистоты, так как паразитное поглощение элементов, обычно имевшихся в виде примесей к урану и графиту, вызывало потерю значительной части нейтронов. Проблема свелась к организации промышленного производства многих тонн графита и урана неслыханной ранее чистоты. Энергично развивалось также производство металлического урана. Вплоть до 1941 г. металлический уран производился в очень малых количествах и чаще всего сомнительной чистоты. Металлический уран выпускался по большей части в форме легковоспламеняющегося порошка, который в ряде случаев возгорался при контакте с воздухом. Спекание порошка в компактные блоки лишь немного уменьшало эти пирофорные свойства. Несколько таких блоков использовалось в экспоненциальных экспериментах, целью которых было получение информации о характеристиках систем, содержащих металлический уран. Пока шли эти опыты, блоки разгорелись настолько, что были горячими на ощупь, и мы побаивались, что они действительно могут сгореть до того, как будет окончен эксперимент.

К осени 1942 г. положение с производством материалов постепенно улучшилось. Объединенные усилия сотрудников Металлургической лаборатории и нескольких промышленных фирм помогли получать графит все лучшего и лучшего качества. Было организовано промышленное производство практически чистой окиси урана и получено некоторое количество литого металлического урана. Соответственно улучшились и результаты экспоненциальных экспериментов. Они показывали теперь, что, применяя эти сорта материалов более высокого качества, можно построить установку, в которой пошла бы цепная реакция.