«Худой» и «Толстяк»
«Худой» и «Толстяк»
К осени 1943 года Оппенгеймер и его исследовательская группа уже ясно представляли себе путь к созданию атомной бомбы и не менее ясно видели проблемы, которые встретятся на этом пути.
В то время в Ок-Ридж возводились два комплекса для крупномасштабного выделения урана-235. Один из них назывался Y-12; это был завод для электромагнитного разделения изотопов на базе калютрона, сконструированного Лоуренсом. Лоуренс предполагал, что для выделения 100 граммов урана-235 в день нужно оборудовать калютрон как минимум 2000 коллекторными баками и все они должны располагаться вертикально между лицевыми поверхностями полюсов тысяч и тысяч тонн магнита. Баки и магниты должны образовать овальные блоки (получившие название «беговые дорожки») — по 96 баков в каждой дорожке. Гровс счел, что постройка 2000 коллекторных баков — 20 дорожек — это нереальная задача для строительной компании, и снизил их количество до 500, то есть до 5 дорожек, предполагая, что совершенствование технологии, которое будет ощутимо еще до завершения строительства, позволит ускорить темпы производства урана и компенсировать разницу.
Чтобы комплекс заработал, нужны были вакуумная система и магниты, которые никогда еще не приходилось конструировать в таких истинно лоуренсийских масштабах. Длина каждого магнита составляла 76 метров, вес — от 3000 до 10 000 тонн. На их конструкцию ушла почти вся добытая в США медь; министерство финансов США ссудило для проекта 15 000 тонн серебра, из которого изготавливались обмотки электромагнитных катушек. Магниты требовали больше энергии, чем крупный город, и были такими сильными, что тянули даже гвоздики, забитые в обувь рабочих. Если к магниту случайно приближалась женщина, он мог вытянуть у нее из волос заколки. Трубы оттягивало от стен. На заводе было занято 13 000 рабочих. Первая дорожка — «Альфа-1» — начала работу в ноябре 1943 года и неожиданно сломалась.
Несмотря на колоссальные масштабы Y-12, Гровс все еще с сомнением относился к перспективам электромагнитного метода. Это была совсем новая технология, поэтому и территория завода была засекречена. Примерно в 13 километрах юго-западнее от Y-12 находился комплекс с газодиффузионной установкой — он назывался К-25 и также пока еще находился на стадии возведения. Этот завод располагался в U-образном строении длиной в почти километр и шириной 3 километра. В то время это было самое крупное здание в мире. На заводе должно было работать еще 12 000 человек. Метод газовой диффузии считался более освоенной технологией, нежели электромагнитное разделение. Но укрощение и этой технологии все еще напоминало авантюру. В Колумбийском университете процесс газовой диффузии по-прежнему активно изучали, еще не решены были проблемы, связанные с коррозией, вызываемой гексафторидом урана.
Неясность с выделением урана-235 в некоторой степени компенсировалась растущей уверенностью в том, что непременно сработает пушечный метод и, более того, что можно создать бомбу, пригодную для транспортировки.
Специалист по баллистике, консультант в лаборатории Лос-Аламоса вскоре после вводных лекций, прочитанных в апреле, обнаружил ошибку в исследовательской логике физиков. Сравнительно пессимистичные оценки ученых о размерах снаряда базировались на том, что пушка для атомного выстрела строятся так же, как и обычные пушки. Но последние конструировались с расчетом, что стрелять из них придется многократно. Очевидно, что та пушка, которая забьет «затравку» в докритическую массу урана-235, сделает только один выстрел, после чего превратится в облако из атомов. Поэтому размер такой пушки можно существенно уменьшить.
Механизм действия бомбы (при условии использования урана-235) уже не виделся проблемой. Все, что сейчас требовалось, — это ядерное топливо.
Физики Манхэттенского проекта занимались теперь приручением еще одного демона. После того как в декабре 1942 года Ферми успешно продемонстрировал самоподдерживающуюся ядерную реакцию, ученые приступили к сборке гораздо более крупного реактора, предназначенного для производства плутония. Комплекс сооружали в «Зоне W» — на территории города Хэнфорд, на юге штата Вашингтон. Работы начались в марте 1943 года, в строительстве было занято 45 000 человек. Первый ядерный реактор, названный «В», или «105-В», на основе ураново-графитовой модели, предложенной Ферми, начали строить в августе 1943 года.
На возведение завода должно было уйти около года, следовательно, первая значительная партия плутония, достаточная для применения в атомной бомбе, могла быть получена не ранее 1945 года.
Однако, в отличие от ситуации с ураном-235, пока было не совсем ясно, будет ли эффективен пушечный метод в плутониевой бомбе. На тот момент ученые слишком мало знали о физических свойствах нового элемента (в частности, о спонтанном распаде и о преждевременной детонации), чтобы делать какие-то выводы. Если плутоний покажет выраженную тенденцию к преждевременной детонации, начальной скорости заряда не хватит даже при выстреле из самой большой пушки. Плутониевая «затравка» войдет в докритическую массу слишком медленно, чтобы вызвать взрыв.
В отличие от пушечного метода, имплозия позволяла собрать сверхкритическую массу гораздо быстрее и более надежно. Более того, Теллер предположил, что докритическую массу плутония в сверхкритическую может сжать сильная взрывная волна: обычный взрыв буквально спрессует докритическую массу до сверхкритической плотности, и после этого последует уже ядерный взрыв. В таком случае отпадала необходимость добиваться большой сверхкритичесой массы с обычной плотностью из полой сферы, собранной из отдельных компонентов.
Правда, чтобы реализовать имплозию, для обычного детонатора, которым обкладывалась сердцевина бомбы, нужно было создать ударную волну обязательно сферической формы. Математик и физик Джон фон Нейман показал, что ударная волна должна быть практически идеальной сферой с погрешностью не более 5 %. В начале июля Неддермейер приступил к небольшим имплозивным экспериментам, которые проходили на плато к юго-востоку от лаборатории Лос-Аламос; между плато и лабораторией пролегал каньон. Опыт состоял в следующем. Обычные взрывчатые вещества, обернутые вокруг коротких отрезков трубы, взрывали — в итоге трубы должны были тесно сблизиться друг с другом, образуя таким образом плоские металлические слитки. Сначала результаты были неудовлетворительными: трубы кривились и сгибались — это означало, что ударная волна имеет далеко не правильную форму.
По расчетам урановая или плутониевая бомба, основанная на пушечном методе, должна быть длинной и тонкой — 5 метров в длину и примерно 60 сантиметров в диаметре. Сербер назвал эту модель «Худой» — как героя детективного романа Дэшилла Хэммета, написанного в 1933 году (и серии фильмов, снятых по его мотивам). Предполагалось, что плутониевая имплозивная бомба, если имплозию действительно удастся осуществить, должна быть около 3 метров в длину и чуть больше 1,5 метров в диаметре. Такую бомбу Сербер назвал «Толстяк» — в честь Каспера Гатмена, персонажа, сыгранного Сидни Гринстритом в фильме «Мальтийский сокол».
Испытания по сбросу бомб таких размеров с бомбардировщика В-29 начались в августе 1943 года. Крупномасштабное производство самолетов этой модели для военных целей в Америке только начиналось, и машину требовалось усовершенствовать — так, чтобы она могла донести бомбы до цели. В ходе экспериментов нужно было определить, какие именно изменения понадобится внести в конструкцию самолета. Для сохранения секретности при телефонных разговорах авиационные служащие говорили о самолетах так, как будто они предназначались для перелетов Рузвельта («худой») и Черчилля («толстяк»).