Ссылка на полный текст: Смит Г. Д. Атомная энергия для военных целей_ официальный отчет о разработке атомной бомбы... | Электронная библиотека | История Росатома
Навигация:
Проблема делящихся материалов
Опыты над коэффициентом размножения
Разделение изотопов в небольших масштабах при помощи масс-спектрографа
Метод центрифугирования и метод газовой диффузии
Термодиффузия в жидкостях
Пять методов получения делящихся материалов для изготовления бомб
Для осуществления цепной реакции необходимо уменьшить захват нейтронов примесями до такого значения, когда он не сможет оказать существенного влияния. Это требует очень тщательной очистки металлического урана и замедлителя. Вычисления показывают, что максимально допустимые концентрации многих элементов-примесей составляют несколько частей на миллион как для урана, так и для замедлителя. Если вспомнить, что до 1940 г. все производство металлического урана в США не превышало нескольких граммов вещества сомнительной чистоты, что все количество добытого в США металлического бериллия достигало лишь нескольких фунтов, что все производство концентрированного дейтерия составляло не более нескольких фунтов и что углерод никогда до этого не производился в тех количествах и с той степенью очистки, какие необходимы для замедлителя, — станет ясным, что проблема производства и очистки материалов была весьма важна.
Приблизительно в июле 1941 г. в Колумбии впервые был произведен в большом масштабе опыт с решеткой из урановых блоков в графите. Был сложен графитовый куб с ребром в 8 футов, содержавший около 7 тонн окиси урана в железных коробках, расположенных в графите с равными промежутками. Предварительная серия измерений на этой конструкции была выполнена в августе 1941 г. Аналогичные конструкции несколько более значительных размеров были установлены и исследованы в течение сентября и октября, и впервые был разработан и применен так называемый экспоненциальный метод определения коэффициента размножения (описанный ниже). Эта работа была выполнена Ферми и его помощниками Г.Л. Андерсоном, Б. Фельдом, Дж. Вейлем и В.Г. Цинном.
Опыты над коэффициентом размножения похожи на описанные выше опыты по определению ? — числа нейтронов, испускаемых на один поглощенный тепловой нейтрон. Радие-бериллиевый источник нейтронов помещается у основания решетки, и измеряется число нейтронов в различных точках решетки. Затем эти числа сравниваются с соответствующими числами, полученными в отсутствии урана в массе графита. Очевидно, поглощение нейтронов ураном-238 с превращением его в уран-239 приводит к уменьшению числа нейтронов, в то время как деление урана увеличивает это число.
Возникает вопрос: что преобладает? или, более точно, преобладает ли освобождение нейтронов в процессах деления над всеми процессами поглощения нейтронов? Истолкование экспериментальных данных по этому решающему вопросу сопровождалось введением многих поправок, вычислениями и приближениями, но в конце концов все сводилось к единственному числу — коэффициенту размножения k.
В главе I было указано, что в результате частичного разделения небольших количеств изотопов урана в масс-спектрографе А.О. Нира и изучения ядерных свойств образцов было установлено, что деление урана под действием тепловых нейтронов следует приписать изотопу U-235. Дополнительно небольшие количества были доставлены Ниром летом 1941 г. и изучены Н.П. Гейденбургом и другими в руководимой М.А. Тьювом лаборатории отделения земного магнетизма Института Карнеги в Вашингтоне. Но результаты этих опытов были лишь предварительными и было, очевидно, желательно дальнейшее изучение более крупных и более тщательно разделенных образцов.
Потребность в больших количествах U-235 побудила Э.О. Лоуренса в Беркли работать над электромагнитным разделением. Он достиг замечательных успехов и 6 декабря 1941 г. сообщил, что в состоянии в течение одного часа выделить один микрограмм U-235, в значительной степени очищенный от U-238.
Еще до этого, на заседании Комитета по урану Смит (Принстон) поднял вопрос о возможном промышленном разделении изотопов электромагнитным способом; но ему возразили, что этот метод был исследован и признан неосуществимым. Несмотря на это, Смит и Лоуренс, случайно встретившись в октябре 1941 г., обсудили этот вопрос и пришли к выводу, что решение его все же возможно. Смит снова поднял этот вопрос 6 декабря, и на следующем заседании (18 декабря 1941 г.) имела место общая дискуссия по вопросу о промышленном применении электромагнитных способов в связи с упомянутым сообщением Лоуренса о достигнутых им успехах.
Хотя мы выяснили, что отделение U-235 от U-238 было основным для успеха всего Проекта, мало было сказано о работах в этой области. Эти работы велись с лета 1940 г. под общим руководством Г.К. Юри в Колумбии. Так как реорганизация, происшедшая в декабре 1941 года, мало коснулась этой части работ по урану, то детальное описание работ отнесено к главам IX и Х. Здесь дается лишь краткий обзор. 4.33. После тщательного рассмотрения и значительного числа опытов, проведенных разными методами, было установлено, что самыми многообещающими методами выделения больших количеств U-235 из U-238 были методы центрифугирования и диффузии через пористые перегородки. В центрифуге на оба изотопа действуют несколько различные силы, благодаря разнице в их массах. По этой же причине скорости диффузии обоих изотопов сквозь пористые перегородки также различны. Оба метода требовали, чтобы уран находился в газообразном состоянии, что являлось серьезным ограничением, так как единственным подходящим газообразным соединением урана, известным в то время, был шестифтористый уран. В каждом методе величина ожидаемого обогащения была для одной «ступени» очень мала; это требовало большого числа ступеней для получения высокой степени обогащения.
К концу 1941 г. применимость каждого из указанных методов была доказана на опыте; обогащение U-235 в лабораторных масштабах было осуществлено в одноступенчатых установках примерно до такой степени, как предсказывает теория. К. Коген (Колумбийский университет) и др. разработали теорию одной ступени и серии, или «каскада», ступеней. Таким образом удалось оценить, что для диффузионной системы потребовалось бы около 5000 ступеней; общая площадь перегородок для разделительного завода, выделяющего 1 кг U-235 в сутки, составляла бы много акров. Соответствующие этим расчетам издержки исчислялись десятками миллионов долларов. Для центрифугирования число ступеней было бы меньше, но было оценено, что для той же производительности потребовалось бы 22 000 сверхбыстроходных центрифуг с индивидуальными приводами, при длине каждой центрифуги около трех футов.
Разумеется, издержки производства не могли быть точно рассчитаны, так как технологические проблемы почти не были решены, но эти сметы, касающиеся стоимости установки и ее размеров, нужны были для того, чтобы подчеркнуть масштабы всего предприятия.
В сентябре 1940 г. П.Г. Абельсон представил на рассмотрение Бригсу записку на 17 страницах, в которой предлагалось разделение изотопов урана посредством термодиффузии в жидком шестифтористом уране. Проблемами урана интересовался также и Р. Гэн из Научно-исследовательской лаборатории военно-морского флота; он был назначен членом Комитета по урану, когда последний летом 1940 г. был реорганизован и передан НДРК (Исследовательский Комитет Национальной Обороны). В результате предложения Абельсона и заинтересованности Гэна, в Национальном Бюро Стандартов была начата работа по исследованию термодиффузии. Эта работа финансировалась Военно-морским министерством и в 1940 г. была передана Научно-исследовательской лаборатории военно-морского флота, где ее продолжали под руководством Абельсона.
Мы рассмотрим работы, по термодиффузии в одной из дальнейших глав; здесь же упомянем лишь о том, что к концу 1941 года были уже получены существенные результаты и что в январе 1942 г. на одной разделительной колонне был получен коэффициент разделения, оказавшийся сравнимым (или выше) с коэффициентом разделения, полученным к тому времени в предварительных испытаниях метода диффузии и метода центрифугирования.
В записке Бушу от 14 мая 1942 г. (незадолго до предполагаемого заседания руководителей программы) Конант указал на пять различных методов получения материалов для бомб, которые могли оказаться одинаково успешными: метод центрифугирования, диффузионный и электромагнитный методы разделения U-235; методы уран-графитового котла и котла из урана с тяжелой водой для производства плутония. Разработка всех этих методов настолько продвинулась, что позволила приступить к строительству опытных установок и даже, может быть, к предварительному проектированию промышленных установок. Если бы эти методы получили техническое осуществление, то потребовались бы затраты в пятьсот миллионов долларов. Хотя слишком рано было говорить о сравнительных достоинствах каждого метода в отдельности, некоторые из них считались более быстрыми и эффективными, чем другие. Однако, существовала опасность, что отказ от какого-нибудь из методов мог вызвать серьезную задержку. Предполагалось, что немцы могут несколько опередить американцев в выполнении аналогичной программы.
Конант подчеркнул, что один вопрос является решающим для всего проекта по урану. Это — вопрос о том, будет ли атомная бомба решающим оружием или только дополнительным. Если она окажется решающим оружием, то не следует ограничивать усилий и денежных затрат для достижения цели. Однако, никто не знал, насколько эффективными окажутся атомные бомбы.