Мир атома настолько фантастичен, что для его понимания требуется коренная ломка привычных понятий о пространстве и времени. Атомы так малы, что если бы каплю воды можно было увеличить до размеров Земли, то каждый атом в этой капле был бы меньше апельсина. В самом деле, одна капля воды состоит из 6000 миллиардов миллиардов (6000000000000000000000) атомов водорода и кислорода. И тем не менее, несмотря на свои микроскопические размеры, атом имеет строение до некоторой степени сходное со строением нашей солнечной системы. В его непостижимо малом центре, радиус которого менее одной триллионной сантиметра, находится относительно огромное «солнце» - ядро атома.
Вокруг этого атомного «солнца» вращаются крохотные «планеты» - электроны. Ядро состоит из двух основных строительных кирпичиков Вселенной - протонов и нейтронов (они имеют объединяющее название - нуклоны). Электрон и протон - заряженные частицы, причем количество заряда в каждом из них совершенно одинаково, однако заряды различаются по знаку: протон всегда заряжен положительно, а электрон - отрицательно. Нейтрон не несет электрического заряда и вследствие этого имеет очень большую проницаемость.
В атомной шкале измерений масса протона и нейтрона принята за единицу. Атомный вес любого химического элемента поэтому зависит от количества протонов и нейтронов, заключенных в его ядре. Например, атом водорода, ядро которого состоит только из одного протона, имеет атомную массу равную 1. Атом гелия, с ядром из двух протонов и двух нейтронов, имеет атомную массу, равную 4.
Ядра атомов одного и того же элемента всегда содержат одинаковое число протонов, но число нейтронов может быть разным. Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но отличающиеся по числу нейтронов и относящиеся к разновидностям одного и того же элемента, называются изотопами. Чтобы отличить их друг от друга, к символу элемента приписывают число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа.
Может возникнуть вопрос: почему ядро атома не разваливается? Ведь входящие в него протоны - электрически заряженные частицы с одинаковым зарядом, которые должны отталкиваться друг от друга с большой силой. Объясняется это тем, что внутри ядра действуют еще и так называемые внутриядерные силы, притягивающие частицы ядра друг к другу. Эти силы компенсируют силы отталкивания протонов и не дают ядру самопроизвольно разлететься.
Внутриядерные силы очень велики, но действуют только на очень близком расстоянии. Поэтому ядра тяжелых элементов, состоящие из сотен нуклонов, оказываются нестабильными. Частицы ядра находятся здесь в беспрерывном движении (в пределах объема ядра), и если добавить им какое-то дополнительное количество энергии, они могут преодолеть внутренние силы - ядро разделится на части. Величину этой избыточной энергии называют энергией возбуждения. Среди изотопов тяжелых элементов есть такие, которые как бы находятся на самой грани самораспада. Достаточно лишь небольшого «толчка», например, простого попадания в ядро нейтрона (причем он даже не должен разгоняться до большой скорости), чтобы пошла реакция ядерного деления. Некоторые из этих «делящихся» изотопов позже научились получать искусственно. В природе же существует только один такой изотоп - это уран-235.
Уран был открыт в 1783 году Клапротом, который выделил его из урановой смолки и назвал в честь недавно открытой планеты Уран. Как оказалось в дальнейшем, это был, собственно, не сам уран, а его оксид. Чистый уран - металл серебристо-белого цвета - был получен
только в 1842 году Пелиго. Новый элемент не обладал никакими замечательными свойствами и не привлекал к себе внимания вплоть до 1896 года, когда Беккерель открыл явление радиоактивности солей урана. После этого уран сделался объектом научных исследований и экспериментов, но практического применения по-прежнему не имел.
Когда в первой трети XX века физикам более или менее стало понятно строение атомного ядра, они прежде всего попробовали осуществить давнюю мечту алхимиков - постарались превратить один химический элемент в другой. В 1934 году французские исследователи супруги Фредерик и Ирен Жолио-Кюри доложили Французской академии наук о следующем опыте: при бомбардировке пластин алюминия альфа-частицами (ядрами атома гелия) атомы алюминия превращались в атомы фосфора, но не обычные, а радиоактивные, которые свою очередь переходили в устойчивый изотоп кремния. Таким образом, атом алюминия, присоединив один протон и два нейтрона, превращался в более тяжелый атом кремния.
Этот опыт навел на мысль, что если «обстреливать» нейтронами ядра самого тяжелого из существующих в природе элементов - урана, то можно получить такой элемент, которого в естественных условиях нет. В 1938 году немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман повторили в общих чертах опыт супругов Жолио-Кюри, взяв вместо алюминия уран. Результаты эксперимента оказались совсем не те, что они ожидали - вместо нового сверхтяжелого элемента с массовым числом больше, чем у урана, Ган и Штрассман получили легкие элементы из средней части периодической системы: барий, криптон, бром и некоторые другие. Сами экспериментаторы не смогли объяснить наблюдаемое явление. Только в следующем году физик Лиза Мейтнер, которой Ган сообщил о своих затруднениях, нашла правильное объяснение наблюдаемому феномену, предположив, что при обстреле урана нейтронами происходит расщепление (деление) его ядра. При этом должны были образовываться ядра более легких элементов (вот откуда брались барий, криптон и другие вещества), а также выделяться 2-3 свободных нейтрона. Дальнейшие исследования позволили детально прояснить картину происходящего.
Природный уран состоит из смеси трех изотопов с массами 238, 234 и 235. Основное количество урана приходится на изотоп-238, в ядро которого входят 92 протона и 146 нейтронов. Уран-235 составляет всего 1/140 природного урана (0, 7% (он имеет в своем ядре 92 протона и 143 нейтрона), а уран-234 (92 протона, 142 нейтрона) лишь - 1/17500 от общей массы урана (0, 006%. Наименее стабильным из этих изотопов является уран-235.
Время от времени ядра его атомов самопроизвольно делятся на части, вследствие чего образуются более легкие элементы периодической системы. Процесс сопровождается выделением двух или трех свободных нейтронов, которые мчатся с огромной скоростью - около 10 тыс. км/с (их называют быстрыми нейтронами). Эти нейтроны могут попадать в другие ядра урана, вызывая ядерные реакции. Каждый изотоп ведет себя в этом случае по-разному. Ядра урана-238 в большинстве случаев просто захватывают эти нейтроны без каких-либо дальнейших превращений. Но примерно в одном случае из пяти при столкновении быстрого нейтрона с ядром изотопа-238 происходит любопытная ядерная реакция: один из нейтронов урана-238 испускает электрон, превращаясь в протон, то есть изотоп урана обращается в более
тяжелый элемент - нептуний-239 (93 протона + 146 нейтронов). Но нептуний нестабилен - через несколько минут один из его нейтронов испускает электрон, превращаясь в протон, после чего изотоп нептуния обращается в следующий по счету элемент периодической системы - плутоний-239 (94 протона + 145 нейтронов). Если же нейтрон попадает в ядро неустойчивого урана-235, то немедленно происходит деление - атомы распадаются с испусканием двух или трех нейтронов. Понятно, что в природном уране, большинство атомов которого относятся к изотопу-238, никаких видимых последствий эта реакция не имеет - все свободные нейтроны окажутся в конце концов поглощенными этим изотопом.
Ну а если представить себе достаточно массивный кусок урана, целиком состоящий из изотопа-235?
Здесь процесс пойдет по-другому: нейтроны, выделившиеся при делении нескольких ядер, в свою очередь, попадая в соседние ядра, вызывают их деление. В результате выделяется новая порция нейтронов, которая расщепляет следующие ядра. При благоприятных условиях эта реакция протекает лавинообразно и носит название цепной реакции. Для ее начала может быть достаточно считанного количества бомбардирующих частиц.
Действительно, пусть уран-235 бомбардируют всего 100 нейтронов. Они разделят 100 ядер урана. При этом выделится 250 новых нейтронов второго поколения (в среднем 2, 5 за одно деление). Нейтроны второго поколения произведут уже 250 делений, при котором выделится 625 нейтронов. В следующем поколении оно станет равным 1562, затем 3906, далее 9670 и т.д. Число делений будет увеличиваться безгранично, если процесс не остановить.
Однако реально лишь незначительная часть нейтронов попадает в ядра атомов. Остальные, стремительно промчавшись между ними, уносятся в окружающее пространство. Самоподдерживающаяся цепная реакция может возникнуть только в достаточно большом массиве урана-235, обладающим, как говорят, критической массой. (Эта масса при нормальных условиях равна 50 кг.) Важно отметить, что деление каждого ядра сопровождается выделением огромного количества энергии, которая оказывается примерно в 300 миллионов раз больше энергии, затраченной на расщепление! (Подсчитано, что при полном делении 1 кг урана-235 выделяется столько же тепла, сколько при сжигании 3 тыс. тонн угля.)
Этот колоссальный выплеск энергии, освобождающейся в считанные мгновения, проявляет себя как взрыв чудовищной силы и лежит в основе действия ядерного оружия. Но для того чтобы это оружие стало реальностью, необходимо, чтобы заряд состоял не из природного урана, а из редкого изотопа - 235 (такой уран называют обогащенным). Позже было установлено, что чистый плутоний также является делящимся материалом и может быть использован в атомном заряде вместо урана-235.
Все эти важные открытия были сделаны накануне Второй мировой войны. Вскоре в Германии и в других странах начались секретные работы по созданию атомной бомбы. В США этой проблемой занялись в 1941 году. Всему комплексу работ было присвоено наименование «Манхэттенского проекта».
Административное руководство проектом осуществлял генерал Гровс, а научное - профессор Калифорнийского университета Роберт Оппенгеймер. Оба хорошо понимали огромную сложность стоящей перед ними задачи. Поэтому первой заботой Оппенгеймера стало комплектование высокоинтеллектуального научного коллектива. В США тогда было много физиков, эмигрировавших из фашистской Германии. Нелегко было привлечь их к созданию оружия, направленного против их прежней родины. Оппенгеймер лично говорил с каждым, пуская в ход всю силу своего обаяния. Вскоре ему удалось собрать небольшую группу теоретиков, которых он шутливо называл «светилами». И в самом деле, в нее входили крупнейшие специалисты того времени в области физики и химии. (Среди них 13 лауреатов Нобелевской премии, в том числе Бор, Ферми, Франк, Чедвик, Лоуренс.) Кроме них, было много других специалистов самого разного профиля.
Правительство США не скупилось на расходы, и работы с самого начала приняли грандиозный размах. В 1942 году была основана крупнейшая в мире исследовательская лаборатория в Лос-Аламосе. Население этого научного города вскоре достигло 9 тысяч человек. По составу ученых, размаху научных экспериментов, числу привлекаемых к работе специалистов и рабочих Лос-Аламосская лаборатория не имела себе равных в мировой истории. «Манхэттенский проект» имел свою полицию, контрразведку, систему связи, склады, поселки, заводы, лаборатории, свой колоссальный бюджет.
Главная цель проекта состояла в получении достаточного количества делящегося материала, из которого можно было бы создать несколько атомных бомб. Кроме урана-235 зарядом для бомбы, как уже говорилось, мог служить искусственный элемент плутоний-239, то есть бомба могла быть как урановой, так и плутониевой.
Гровс и Оппенгеймер согласились, что работы должны вестись одновременно по двум направлениям, поскольку невозможно наперед решить, какое из них окажется более перспективным. Оба способа принципиально отличались друг от друга: накопление урана-235 должно было осуществляться путем его отделения от основной массы природного урана, а плутоний мог быть получен только в результате управляемой ядерной реакции при облучении нейтронами урана-238. И тот и другой путь представлялся необычайно трудным и не сулил легких решений.
В самом деле, как можно отделить друг от друга два изотопа, которые лишь незначительно отличаются своим весом и химически ведут себя совершенно одинаково? Ни наука, ни техника никогда еще не сталкивались с такой проблемой. Производство плутония тоже поначалу казалось очень проблематичным. До этого весь опыт ядерных превращений сводился к нескольким лабораторным экспериментам. Теперь же предстояло в промышленном масштабе освоить производство килограммов плутония, разработать и создать для этого специальную установку - ядерный реактор, и научиться управлять течением ядерной реакции.
И там и здесь предстояло разрешить целый комплекс сложных задач. Поэтому «Манхэттенский проект» состоял из нескольких подпроектов, во главе которых стояли видные ученые. Сам Оппенгеймер был главой Лос-Аламосской научной лаборатории. Лоуренс заведовал Радиационной лабораторией Калифорнийского университета. Ферми вел в Чикагском университете исследования по созданию ядерного реактора.
Поначалу важнейшей проблемой было получение урана. До войны этот металл фактически не имел применения. Теперь, когда он потребовался сразу в огромных количествах, оказалось, что не существует промышленного способа его производства.
Компания «Вестингауз» взялась за его разработку и быстро добилась успеха. После очистки урановой смолы (в таком виде уран встречается в природе) и получения окиси урана, ее превращали в тетрафторид (UF4), из которого путем электролиза выделялся металлический уран. Если в конце 1941 года в распоряжении американских ученых было всего несколько граммов металлического урана, то уже в ноябре 1942 года его промышленное производство на заводах фирмы «Вестингауз» достигло 6000 фунтов в месяц.
Одновременно шла работа над созданием ядерного реактора. Процесс производства плутония фактически сводился к облучению урановых стержней нейтронами, в результате чего часть урана-238 должна была обратиться в плутоний. Источниками нейтронов при этом могли быть делящиеся атомы урана-235, рассеянные в достаточном количестве среди атомов урана-238. Но для того чтобы поддерживать постоянное воспроизводство нейтронов, должна была начаться цепная реакция деления атомов урана-235. Между тем, как уже говорилось, на каждый атом урана-235 приходилось 140 атомов урана-238. Ясно, что у разлетающихся во все стороны нейтронов было гораздо больше вероятности встретить на своем пути именно их. То есть, огромное число выделившихся нейтронов оказывалось без всякой пользы поглощенным основным изотопом. Очевидно, что при таких условиях цепная реакция идти не могла. Как же быть?
Сначала представлялось, что без разделения двух изотопов работа реактора вообще невозможна, но вскоре было установлено одно важное обстоятельство: оказалось, что уран-235 и уран-238 восприимчивы к нейтронам разных энергий. Расщепить ядро атома урана-235 можно нейтроном сравнительно небольшой энергии, имеющим скорость около 22 м/с. Такие медленные нейтроны не захватываются ядрами урана-238 - для этого те должны иметь скорость порядка сотен тысяч метров в секунду. Другими словами уран-238 бессилен помешать началу и ходу цепной реакции в уране-235, вызванной нейтронами, замедленными до крайне малых скоростей - не более 22 м/с. Это явление было открыто итальянским физиком Ферми, который с 1938 года жил в США и руководил здесь работами по созданию первого реактора. В качестве замедлителя нейтронов Ферми решил применить графит. По его расчетам, вылетевшие из урана-235 нейтроны, пройдя через слой графита в 40 см, должны были снизить свою скорость до 22 м/с и начать самоподдерживающуюся цепную реакцию в уране-235.
Другим замедлителем могла служить так называемая «тяжелая» вода. Поскольку атомы водорода, входящие в нее, по размерам и массе очень близки к нейтронам, они могли лучше всего замедлять их. (С быстрыми нейтронами происходит примерно то же, что с шарами: если маленький шар ударяется о большой, он откатывается назад, почти не теряя скорости, при встрече же с маленьким шаром он передает ему значительную часть своей энергии - точно так же нейтрон при упругом столкновении отскакивает от тяжелого ядра лишь незначительно замедляясь, а при столкновении с ядрами атомов водорода очень быстро теряет всю свою энергию.) Однако обычная вода не подходит для замедления, так как ее водород имеет тенденцию поглощать нейтроны. Вот почему для этой цели следует использовать дейтерий, входящий в состав «тяжелой» воды.
В начале 1942 года под руководством Ферми в помещении теннисного корта под западными трибунами Чикагского стадиона началось строительство первого в истории ядерного реактора. Все работы ученые проводили сами. Управление реакцией можно осуществлять единственным способом - регулируя число нейтронов, участвующих в цепной реакции. Ферми предполагал добиться этого с помощью стержней, изготовленных из таких веществ, как бор и кадмий, которые сильно поглощают нейтроны. Замедлителем служили графитовые кирпичи, из которых физики возвели колоны высотой в 3 м и шириной в 1, 2 м. Между ними были установлены прямоугольные блоки с окисью урана. На всю конструкцию пошло около 46 тонн окиси урана и 385 тонн графита. Для замедления реакции служили введенные в реактор стержни из кадмия и бора.
Если бы этого оказалось недостаточно, то для страховки на платформе, расположенной над реактором, стояли двое ученых с ведрами, наполненными раствором солей кадмия - они должны были вылить их на реактор, если бы реакция вышла из-под контроля. К счастью, этого не потребовалось. 2 декабря 1942 года Ферми приказал выдвинуть все контрольные стержни, и эксперимент начался. Через четыре минуты нейтронные счетчики стали щелкать все громче и громче. С каждой минутой интенсивность нейтронного потока становилась больше. Это говорило о том, что в реакторе идет цепная реакция. Она продолжалась в течение 28 минут. Затем Ферми дал знак, и опущенные стержни прекратили процесс. Так впервые человек освободил энергию атомного ядра и доказал, что может контролировать ее по своей воле. Теперь уже не было сомнения, что ядерное оружие - реальность.
В 1943 году реактор Ферми демонтировали и перевезли в Арагонскую национальную лабораторию (50 км от Чикаго). Здесь был вскоре построен еще один ядерный реактор, в котором в качестве замедлителя использовалась тяжелая вода. Он состоял из цилиндрической алюминиевой цистерны, содержащей 6, 5 тонн тяжелой воды, в которую было вертикально погружено 120 стержней из металлического урана, заключенные в алюминиевую оболочку. Семь управляющих стержней были сделаны из кадмия. Вокруг цистерны располагался графитовый отражатель, затем экран из сплавов свинца и кадмия. Вся конструкция заключалась в бетонный панцирь с толщиной стенок около 2, 5 м.
Эксперименты на этих опытных реакторах подтвердили возможность промышленного производства плутония.
Главным центром «Манхэттенского проекта» вскоре стал городок Ок-Ридж в долине реки Теннеси, население которого за несколько месяцев выросло до 79 тысяч человек. Здесь в короткий срок был построен первый в истории завод по производству обогащенного урана. Тут же в 1943 году был пущен промышленный реактор, вырабатывавший плутоний. В феврале 1944 года из него ежедневно извлекали около 300 кг урана, с поверхности которого путем химического разделения получали плутоний. (Для этого плутоний сначала растворяли, а потом осаждали.) Очищенный уран после этого вновь возвращался в реактор. В том же году в бесплодной унылой пустыне на южном берегу реки Колумбия началось строительство огромного Хэнфордского завода. Здесь размещалось три мощных атомных реактора, ежедневно дававших несколько сот граммов плутония.
Параллельно полным ходом шли исследования по разработке промышленного процесса обогащения урана.
Рассмотрев разные варианты, Гровс и Оппенгеймер решили сосредоточить усилия на двух методах: газодиффузионном и электромагнитном.
Газодиффузионный метод основывался на принципе, известном под названием закона Грэхэма (он был впервые сформулирован в 1829 году шотландским химиком Томасом Грэхэмом и разработан в 1896 году английским физиком Рейли). В соответствии с этим законом, если два газа, один из которых легче другого, пропускать через фильтр с ничтожно малыми отверстиями, то через него пройдет несколько больше легкого газа, чем тяжелого. В ноябре 1942 года Юри и Даннинг из Колумбийского университета создали на основе метода Рейли газодиффузионный метод разделения изотопов урана.
Так как природный уран - твердое вещество, то его сначала превращали во фтористый уран (UF6). Затем этот газ пропускали через микроскопические - порядка тысячных долей миллиметра - отверстия в перегородке фильтра.
Так как разница в молярных весах газов была очень мала, то за перегородкой содержание урана-235 увеличивалось всего в 1, 0002 раза.
Для того чтобы увеличить количество урана-235 еще больше, полученную смесь снова пропускают через перегородку, и количество урана опять увеличивается в 1, 0002 раза. Таким образом, чтобы повысить содержание урана-235 до 99%, нужно было пропускать газ через 4000 фильтров. Это происходило на огромном газодиффузионном заводе в Ок-Ридж.
В 1940 году под руководством Эрнста Лоуренса в Калифорнийском университете начались исследования по разделению изотопов урана электромагнитным методом. Необходимо было найти такие физические процессы, которые позволили бы разделять изотопы, пользуясь разностью их масс. Лоуренс предпринял попытку разделить изотопы, используя принцип масс-спектрографа - прибора, с помощью которого определяют массы атомов.
Принцип его действия сводился к следующему: предварительно ионизированные атомы ускорялись электрическим полем, а затем пропускались через магнитное поле, в котором они описывали окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной направлению поля. Так как радиусы этих траекторий были пропорциональны массе, легкие ионы оказывались на окружностях меньшего радиуса, чем тяжелые. Если на пути атомов размещали ловушки, то можно было таким образом раздельно собирать различные изотопы.
Таков был метод. В лабораторных условиях он дал неплохие результаты. Но строительство установки, на которой разделение изотопов могло бы производиться в промышленных масштабах, оказалось чрезвычайно сложным. Однако Лоуренсу в конце концов удалось преодолеть все трудности. Результатом его усилий стало появление калутрона, который был установлен на гигантском заводе в Ок-Ридже.
Этот электромагнитный завод был построен в 1943 году и оказался едва ли не самым дорогостоящим детищем «Манхэттенского проекта». Метод Лоуренса требовал большого количества сложных, еще не разработанных устройств, связанных с высоким напряжением, высоким вакуумом и сильными магнитными полями. Масштабы затрат оказались огромны. Калутрон имел гигантский электромагнит, длина которого достигала 75 м при весе около 4000 тонн.
На обмотки для этого электромагнита пошло несколько тысяч тонн серебряной проволоки.
Все работы (не считая стоимости серебра на сумму 300 миллионов долларов, которое государственное казначейство предоставило только на время) обошлись в 400 миллионов долларов. Только за электроэнергию, затраченную калутроном, министерство обороны заплатило 10 миллионов. Большая часть оборудования ок-риджского завода превосходила по масштабам и точности изготовления все, что когда-либо разрабатывалось в этой области техники.
Но все эти затраты оказались не напрасными. Издержав в общей сложности около 2 миллиардов долларов, ученые США к 1944 году создали уникальную технологию обогащения урана и производства плутония. Тем временем в Лос-Аламосской лаборатории работали над проектом самой бомбы. Принцип ее действия был в общих чертах ясен уже давно: делящееся вещество (плутоний или уран-235) следовало в момент взрыва перевести в критическое состояние (для осуществления цепной реакции масса заряда должна быть даже заметно больше критической) и облучить пучком нейтронов, что влекло за собой начало цепной реакции.
По расчетам, критическая масса заряда превосходила 50 килограмм, но ее смогли значительно уменьшить. Вообще на величину критической массы сильно влияют несколько факторов. Чем больше поверхностная площадь заряда - тем больше нейтронов бесполезно излучается в окружающее пространство. Наименьшей площадью поверхности обладает сфера. Следовательно, сферические заряды при прочих равных условиях имеют наименьшую критическую массу. Кроме того, величина критической массы зависит от чистоты и вида делящихся материалов. Она обратно пропорциональна квадрату плотности этого материала, что позволяет, например, при увеличении плотности вдвое, уменьшить критическую массу в четыре раза. Нужную степень подкритичности можно получить, к примеру, уплотнением делящегося материала за счет взрыва заряда обычного взрывчатого вещества, выполненного в виде сферической оболочки, окружающей ядерный заряд. Критическую массу, кроме того, можно уменьшить, окружив заряд экраном, хорошо отражающим нейтроны. В качестве такого экрана могут быть использованы свинец, бериллий, вольфрам, природный уран, железо и многие другие.
Одна из возможных конструкций атомной бомбы состоит из двух кусков урана, которые, соединяясь, образуют массу больше критической. Для того чтобы вызвать взрыв бомбы, надо как можно быстрее сблизить их. Второй метод основан на использовании сходящегося внутрь взрыва. В этом случае поток газов от обычного взрывчатого вещества направлялся на расположенный внутри делящийся материал и сжимал его до тех пор, пока он не достигал критической массы. Соединение заряда и интенсивное облучение его нейтронами, как уже говорилось, вызывает цепную реакцию, в результате которой в первую же секунду температура возрастает до 1 миллиона градусов. За это время успевало разделиться всего около 5% критической массы. Остальная часть заряда в бомбах ранней конструкции испарялась без
всякой пользы.
Первая в истории атомная бомба (ей было дано имя «Тринити») была собрана летом 1945 года. А 16 июня 1945 года на атомном полигоне в пустыне Аламогордо (штат Нью-Мексико) был произведен первый на Земле атомный взрыв. Бомбу поместили в центре полигона на вершине стальной 30-метровой башни. Вокруг нее на большом расстоянии размещалась регистрирующая аппаратура. В 9 км находился наблюдательный пункт, а в 16 км - командный. На всех свидетелей этого события атомный взрыв произвел потрясающее впечатление. По описанию очевидцев, было такое ощущение, будто множество солнц соединилось в одно и разом осветило полигон. Затем над равниной возник огромный огненный шар и к нему медленно и зловеще стало подниматься круглое облако пыли и света.
Оторвавшись от земли, этот огненный шар за несколько секунд взлетел на высоту более трех километров. С каждым мгновением он разрастался в размерах, вскоре его диаметр достиг 1, 5 км, и он медленно поднялся в стратосферу. Затем огненный шар уступил место столбу клубящегося дыма, который вытянулся на высоту 12 км, приняв форму гигантского гриба. Все это сопровождалось ужасным грохотом, от которого дрожала земля. Мощность взорвавшейся бомбы превзошла все ожидания.
Как только позволила радиационная обстановка, несколько танков «Шерман», выложенные изнутри свинцовыми плитами, ринулись в район взрыва. На одном из них находился Ферми, которому не терпелось увидеть результаты своего труда. Его глазам предстала мертвая выжженная земля, на которой в радиусе 1, 5 км было уничтожено все живое. Песок спекся в стекловидную зеленоватую корку, покрывавшую землю. В огромной воронке лежали изуродованные остатки стальной опорной башни. Сила взрыва была оценена в 20000 тонн тротила.
Следующим шагом должно было стать боевое применение атомной бомбы против Японии, которая после капитуляции фашистской Германии одна продолжала войну с США и их союзниками. Ракет-носителей тогда еще не было, поэтому бомбардировку предстояло осуществить с самолета. Компоненты двух бомб были с большой осторожностью доставлены крейсером «Индианаполис» на остров Тиниан, где базировалась 509-я сводная группа ВВС США. По типу заряда и конструкции эти бомбы несколько отличались друг от друга.
Первая атомная бомба - «Малыш» - представляла собой крупногабаритную авиационную бомбу с атомным зарядом из сильно обогащенного урана-235. Длина ее была около 3 м, диаметр - 62 см, вес - 4, 1 т.
Вторая атомная бомба - «Толстяк» - с зарядом плутония-239 имела яйцеобразную форму с крупногабаритным стабилизатором. Длина ее
составляла 3, 2 м, диаметр 1, 5 м, вес - 4, 5 т.
6 августа бомбардировщик Б-29 «Энола Гэй» полковника Тиббетса сбросил «Малыша» на крупный японский город Хиросиму. Бомба опускалась на парашюте и взорвалась, как это и было предусмотрено, на высоте 600 м от земли.
Последствия взрыва были ужасны. Даже на самих пилотов вид уничтоженного ими в одно мгновение мирного города произвел гнетущее впечатление. Позже один из них признался, что они видели в эту секунду самое плохое, что только может увидеть человек.
Для тех же, кто находился на земле, происходящее напоминало подлинный ад. Прежде всего, над Хиросимой прошла тепловая волна. Ее действие длилось всего несколько мгновений, но было настолько мощным, что расплавило даже черепицу и кристаллы кварца в гранитных плитах, превратило в уголь телефонные столбы на расстоянии 4 км и, наконец, настолько испепелило человеческие тела, что от них остались только тени на асфальте мостовых или на стенах домов. Затем из-под огненного шара вырвался чудовищный порыв ветра и промчался над городом со скоростью 800 км/ч, сметая все на своем пути. Не выдержавшие его яростного натиска дома рушились как подкошенные. В гигантском круге диаметром 4 км не осталось ни одного целого здания. Через несколько минут после взрыва над городом прошел черный радиоактивный дождь - это превращенная в пар влага сконденсировалась в высоких слоях атмосферы и выпала на землю в виде крупных капель, смешанных с радиоактивной пылью.
После дождя на город обрушился новый порыв ветра, на этот раз дувший в направлении эпицентра. Он был слабее первого, но все же достаточно силен, чтобы вырывать с корнем деревья. Ветер раздул гигантский пожар, в котором горело все, что только могло гореть. Из 76 тысяч зданий полностью разрушилось и сгорело 55 тысяч. Свидетели этой ужасной катастрофы вспоминали о людях-факелах, с которых сгоревшая одежда спадала на землю вместе с лохмотьями кожи, и о толпах обезумевших людей, покрытых ужасными ожогами, которые с криком метались по улицам. В воздухе стоял удушающий смрад от горелого человеческого мяса. Всюду валялись люди, мертвые и умирающие. Было много таких, которые ослепли и оглохли и, тычась во все стороны, не могли ничего разобрать в царившем вокруг хаосе.
Несчастные, находившиеся от эпицентра на расстоянии до 800 м, за доли секунды сгорели в буквальном смысле слова - их внутренности испарились, а тела превратились в комки дымящихся углей. Находившиеся от эпицентра на расстоянии 1 км, были поражены лучевой болезнью в крайне тяжелой форме. Уже через несколько часов у них началась сильнейшая рвота, температура подскочила до 39-40 градусов, появились одышка и кровотечения. Затем на коже высыпали незаживающие язвы, состав крови резко изменился, волосы выпали. После ужасных страданий, обычно на второй или третий день, наступала смерть.
Всего от взрыва и лучевой болезни погибло около 240 тысяч человек. Около 160 тысяч получили лучевую болезнь в более легкой форме - их мучительная смерть оказалась отсроченной на несколько месяцев или лет. Когда известие о катастрофе распространилось по стране, вся Япония была парализована страхом. Он еще увеличился, после того как 9 августа самолет «Бокс Кар» майора Суини сбросил вторую бомбу на Нагасаки. Здесь также погибло и было ранено несколько сот тысяч жителей. Не в силах противостоять новому оружию, японское правительство капитулировало - атомная бомба положила конец Второй мировой войне.
Война закончилась. Она продолжалась всего шесть лет, но успела изменить мир и людей почти до неузнаваемости.
Человеческая цивилизация до 1939 года и человеческая цивилизация после 1945 года разительно не похожи друг на друга. Тому есть много причин, но одна из важнейших - появление ядерного оружия. Можно без преувеличений сказать, что тень Хиросимы лежит на всей второй половине XX века. Она стала глубоким нравственным ожогом для многих миллионов людей, как бывших современниками этой катастрофы, так и родившихся через десятилетия после нее. Современный человек уже не может думать о мире так, как думали о нем до 6 августа 1945 года - он слишком ясно понимает, что этот мир может за несколько мгновений превратиться в ничто.
Современный человек не может смотреть на войну, так как смотрели его деды и прадеды - он достоверно знает, что эта война будет последней, и в ней не окажется ни победителей, ни побежденных. Ядерное оружие наложило свой отпечаток на все сферы общественной жизни, и современная цивилизация не может жить по тем же законам, что шестьдесят или восемьдесят лет назад. Никто не понимал этого лучше самих создателей атомной бомбы.
«Люди нашей планеты , - писал Роберт Оппенгеймер, - должны объединиться. Ужас и разрушение, посеянные последней войной, диктуют нам эту мысль. Взрывы атомных бомб доказали ее со всей жестокостью. Другие люди в другое время уже говорили подобные слова - только о другом оружии и о других войнах. Они не добились успеха. Но тот, кто и сегодня скажет, что эти слова бесполезны, введен в заблуждение превратностями истории. Нас нельзя убедить в этом. Результаты нашего труда не оставляют человечеству другого выбора, кроме как создать объединенный мир. Мир, основанный на законности и гуманизме».
Истории развития человечества всегда сопутствовали войны, как способ решения конфликтов насилием. Цивилизация перенесла более пятнадцати тысяч малых и больших вооруженных конфликтов, потери человеческих жизней исчисляются миллионами. Только в девяностых годах прошлого века случилось более ста военных столкновений, с участием девяноста стран мира.
Одновременно, научные открытия, технический прогресс позволили создавать оружие уничтожения все большей мощности и изощренности применения. В двадцатом веке пиком массового разрушительного воздействия и инструментом политики стало ядерное оружие.
Устройство атомной бомбы
Современные ядерные бомбы как средства поражения противника создаются на основе передовых технических решений, суть которых широкой огласке не придается. Но основные элементы присущие этому виду оружия, можно рассмотреть на примере устройства ядерной бомбы с кодовым названием «Толстяк», сброшенной в 1945 году на один из городов Японии.
Мощность взрыва равнялась 22.0 кт в тротиловом эквиваленте.
Она имела следующие конструктивные особенности:
- длинна изделия составляла 3250.0 мм, при диаметре объемной части — 1520.0 мм. Общий вес более 4.5 тонн;
- корпус представлен эллиптической формой. Во избежание преждевременного разрушения из — за попадания зенитных боеприпасов и нежелательных воздействий иного рода, для его изготовления использовалась 9.5 мм бронированная сталь;
- корпус разделен на четыре внутренние части: нос, две половины эллипсоида (основной — отсек для ядерной начинки), хвост.
- носовой отсек укомплектован аккумуляторными батареями;
- основной отсек, как носовой, для предупреждения попадания вредных сред, влаги, создания комфортных условий для работы бородатчика вакуумируются;
- в эллипсоиде размещалось плутониевое ядро, охваченное урановым тампером (оболочкой). Он играл роль инерционного ограничителя течением ядерной реакции, обеспечивая максимальную активности оружейного плутония, путем отражения нейтронов к стороне активной зоны заряда.
Внутри ядра размещали первичный источник нейтронов, носящий название инициатор или «ежик». Представлен бериллием шарообразной формы диаметром 20.0 мм с наружным покрытием на основе полония — 210.
Следует отметить, что экспертным сообществом такая конструкция ядерного боеприпаса определена, малоэффективной, ненадежной при использовании. Нейтронное инициирование неуправляемого типа в дальнейшем не использовалось.
Принцип действия
Процесс деления ядер урана 235 (233) и плутония 239 (это то, из чего состоит ядерная бомба) с огромным выделением энергии при ограничении объема — называют ядерным взрывом. Атомная структура радиоактивных металлов имеет неустойчивую форму — они постоянно делятся на другие элементы.
Процесс сопровождается отрывом нейронов, часть из которых, попадает на соседние атомы, инициируют дальнейшую реакцию, сопровождающуюся выделением энергии.
Принцип заключается следующим: сокращение время распада приводит к большей интенсивности процесса, а сосредоточение нейронов на бомбардировках ядер приводит к цепной реакции. При совмещении двух элементов до критической массы создастся сверхкритическая, приводящая к взрыву.
В бытовых условиях спровоцировать активную реакцию невозможно — нужны высокие скорости сближения элементов — не менее 2.5 км/с. Достижение этой скорости в бомбе возможно при применении комбинирующих друг друга типов взрывчатки (быстрой и медленной), балансирующих плотность сверхкритической массы, производящий атомный взрыв.
Ядерные взрывы относят к результатам деятельности человека на планете или ее орбите. Природные процессы такого рода возможны лишь на некоторых звездах космического пространства.
Атомные бомбы по праву считают самым мощным и разрушительным оружием массового поражения. Тактическое применение решает задачи по уничтожению стратегических, военных объектов наземного, а также глубинного базирования, поражения значительного скопления техники, живой силы противника.
Глобально применить можно только преследуя цель полного истребления населения и инфраструктуры на значительных территориях.
Для достижения определенных целей, выполнения задач тактического и стратегического характера подрывы атомных боеприпасов могут проводить:
- на критических и малых высотах (выше и ниже 30.0 км);
- в непосредственном прикосновении с земной корой (водой);
- подземно (или подводный взрыв).
Ядерный взрыв характеризуется мгновенным выделением огромной энергии.
Приводящей к поражению объектов и человека следующим образом:
- Ударная волна. При взрыве выше или на земной коре (воде) называют воздушной волной, под землей (водой) — сейсмовзрывной волной. Воздушная волна образуется после критичного сжатия воздушных масс и распространяется окружностью до затухания со скоростью, превышающей звук. Приводит как прямому поражению живой силы, так и косвенному (взаимодействием с осколками разрушенных объектов). Действие избыточного давления делает технику нефункциональной путем перемещения и ударов о поверхность земли;
- Световое излучение. Источник — световая часть, образованная испарением изделия с массами воздуха, при наземном применении — паров грунта. Воздействие происходит в ультрафиолетовом и инфракрасном спектрах. Его поглощение предметами и людьми провоцирует обугливание, плавление и горение. Степень поражения зависима от удаления эпицентра;
- Проникающая радиация — это движущееся от места разрыва нейтроны и гамма — лучи. Воздействие на биологические ткани приводит к ионизации молекул клеток, приводящих к лучевой болезни организма. Поражение имущества сопряжено с реакциями деления молекул в поражающих элементах боеприпасов.
- Радиоактивное заражение. При наземном взрыве происходит подъем паров грунта, пыли и прочего. Возникает облако, перемещающееся в направлении движения воздушных масс. Источники поражения представлены продуктами деления активной части ядерного боеприпаса, изотопами, не разрушенными частями заряда. При движении радиоактивного облака происходит сплошное радиационное заражение местности;
- Электромагнитный импульс. Взрыв сопровождает появление электромагнитных полей (от 1.0 до 1000 м) в виде импульса. Они приводят к выходу из строя электрических приборов, средств управления и связи.
Совокупность факторов ядерного взрыва наносит разно — уровневое поражение живой силе, технике и инфраструктуре противника, а фатальность последствий связана лишь с удалением от его эпицентра.
История создания ядерного оружия
Создание оружия с использованием ядерной реакции сопровождалось рядом научных открытий, теоретических и практических изысканий, в их числе:
- 1905 год — создана теория относительности, утверждающая, что небольшое количество вещества соотносится значительному выделению энергии по формуле E = mc2, где «с» представляет световую скорость (автор А. Эйнштейн);
- 1938 год — немецкими учеными проведен эксперимент по разделению атома на части путем атаки урана нейтронами, закончившийся успешно (О.Ханн и Ф. Страссманна), а физик из Великобритании дал объяснения факту выделения энергии (Р.Фриш);
- 1939 год — ученым из Франции, что при проведении цепи реакций молекул урана выделится энергия способная произвести взрыв огромной силы (Жолио — Кюри).
Последнее и стало отправной точкой для изобретения атомного оружия. Параллельной разработкой занимались Германия, Великобритания, США, Япония. Основная проблема заключалась в добычи урана потребными объемами для проведения экспериментов в этой области.
Быстрее задачу решили в США, закупив сырье у Бельгии в 1940 году.
В рамках проекта, получившего название Манхэттен, с тридцать девятого по сорок пятый год построен завод по урановой очистке, создан центр исследования ядерных процессов, привлечены для работы в нем лучшие специалисты — физики со всей части Западной Европы.
Великобритания, ведшая собственные разработки, вынуждена была, после немецкой бомбардировки, в добровольном порядке передать наработки по своему проекту военным США.
Считается, что американцы, первые, кто изобрел атомную бомбу. Испытания первого ядерного заряда проводились в штате Нью — Мехико в июле сорок пятого года. Вспышка от взрыва затмила небо, а песчаный ландшафт превратился в стекло. Через небольшой промежуток времени созданы ядерные заряды, именуемые «Малыш» и «Толстяк».
Ядерное оружие в СССР — даты и события
Становлению СССР, как ядерной державы, предшествовала длительная работа отдельных ученых и государственных институтов. Ключевые периоды и значимые даты событий представлены следующим:
- 1920 год считают началом работ советских ученых по делению атома;
- С тридцатых годов направление ядерной физики становиться приоритетным;
- Октябрь 1940 года — инициативная группа ученых — физиков выступила с предложением об использовании атомных разработок в военных целях;
- Летом 1941 года в связи с войной институты атомной энергетики переведены в тыл;
- Осенью 1941 года советская разведка проинформировала руководство страны о начале ядерных программ в Британии и Америке;
- Сентябрь 1942 года — исследования атома начали делаться полным объемом, работы по урану продолжились;
- Февраль 1943 года — создана специальная исследовательская лаборатория под руководством И. Курчатова, а общее руководство возложено на В. Молотова;
Руководил проектом В. Молотов.
- Август 1945 года — в связи проведением ядерного бомбометания в Японии, высокой важностью разработок для СССР, создан Специальный Комитет под руководство Л. Берии;
- Апрель 1946 года — создано КБ-11, ставшее разрабатывать образцы советского ядерного оружия в двух вариантах (с использованием плутония и урана);
- Средина 1948 года — работы по урану прекращены из — за малой эффективности при больших затратах;
- Август 1949 года — когда в СССР изобрели атомную бомбу, проведены испытания первой советской ядерной бомбы.
Сокращению сроков разработки изделия способствовала качественная работа разведывательных органов, сумевших получить информацию по американским ядерным разработкам. Среди тех, кто первый создал атомную бомбу в СССР, был коллектив ученых под руководством академика А. Сахарова. Они разработали более перспективные технические решения, чем используемые американцами.
Атомная бомба «РДС-1»
В 2015 — 2017 годах Россия сделала прорыв совершенствования ядерных боеприпасов и средств их доставки, тем самым заявив о государстве способном отразить любую агрессию.
Первые испытания атомной бомбы
После испытания экспериментального ядерной бомбы в штате Нью — Мексико летом сорок пятого года, последовали бомбежки японских городов Хиросимы и Нагасаки, шестого и девятого августа соответственно.
в этом году закончена разработка атомной бомбы
В 1949 году, при условиях повышенной секретности, советскими конструкторами КБ — 11 и ученым была закончена разработка атомной бомбы, носившей название РДС-1 (реактивный двигатель «С»). 29 августа на полигоне Семипалатинска прошло испытание первого советского ядерного устройства. Атомная бомба России — РДС-1 представляла собой изделие «каплевидной» формы, весом 4.6 тонн, диаметром объемной части 1.5 м, длинной 3.7 метра.
Активная часть включала плутониевый блок, позволивший достичь мощности взрыва 20.0 килотонн соразмерно тротилу. Площадка для испытаний занимала радиус двадцатью километрами. Особенности условий испытательного подрыва не обнародованы до настоящего времени.
Третьего сентября того же года американской авиационной разведкой установлено наличие в воздушных массах Камчатки следов изотопов, свидетельствующих об испытания ядерного заряда. Двадцать третьего числа, первое лицо США публично объявило, что СССР удалось испытывать атомную бомбу.
В СССР должна наладиться демократическая форма управления.
Вернадский В.И.
Атомная бомба в СССР была создана 29 августа 1949 года (первый успешный запуск). Руководил проектом академик Игорь Васильевич Курчатов. Период разработки атомного оружия в СССР длился с 1942 года, и закончился испытанием на территории Казахстана. Это нарушило монополию США на подобного рода вооружение, ведь с 1945 года единственной ядерной державой были именно они. Статья посвящена описанию истории возникновения советской ядерной бомбы, а также характеристике последствий этих событий для СССР.
История создания
В 1941 году представители СССР в Нью-Йорке передали Сталину информацию о том, что в США проходит встреча ученых-физиков, которая посвящена вопросам разработки ядерного вооружения. Советские ученые 1930-х годов также работали над исследованием атома, самым известным было расщепление атома учеными из Харькова во главе с Л.Ландау. Однако до реального применения в вооружении дело не доходило. Над этим кроме США работала нацистская Германия. В конце 1941 года в США начали свой атомный проект. Сталин узнал об этом в начале 1942 года и подписал указ о создании в СССР лаборатории по созданию атомного проекта, ее руководителем стал академик И.Курчатов.
Существует мнение, что работу ученых США ускорили секретные разработки немецких коллег, которые попали в Америку. В любом случае, летом 1945 года на Потсдамской конференции новый президент США Г.Трумэн сообщил Сталину о завершении работы над новым оружием – атомной бомбой. Более того, для демонстрации работы американских ученых, правительство США решило испытать новое оружие в бою: 6 и 9 августа бомбы были сброшены на два японских города, Хиросиму и Нагасаки. Это был первый случай, когда человечество узнало о новом оружии. Именно это событие заставило Сталина ускорить работу своих ученых. И.Курчатова вызвал к себе Сталин и пообещал выполнить любые требования ученого, лишь бы процесс шел как можно быстрее. Более того, был создан государственный комитет при Совнаркоме, который курировал советский атомный проект. Возглавил его Л.Берия.
Разработка переместилась в три центра:
- Конструкторское бюро Кировского завода, работающее над созданием специального оборудования.
- Диффузный завод на Урале, который должен был работать над созданием обогащенного урана.
- Химико-металлургические центры, в которых изучали плутоний. Именно этот элемент использовался в первой ядерной бомбе советского образца.
В 1946 году был создан первый советский единый ядерный центр. Это был секретный объект Арзамас-16, находящийся в городе Саров (Нижегородская область). В 1947 году создали первый атомный реактор, на предприятии под Челябинском. В 1948 году был создан секретный полигон на территории Казахстана, возле города Семипалатинск-21. Именно здесь 29 августа 1949 года был организован первый взрыв советской атомной бомбы РДС-1. Это событие держалось в полном секрете, однако американская тихоокеанская авиация смогла зафиксировать резкое повышение уровня радиации, что было доказательством испытания нового оружия. Уже в сентябре 1949 году Г.Трумэн заявил о наличие в СССР атомной бомбы. Официально СССР признался в наличие этого оружия только в 1950 году.
Можно выделить несколько главных последствий успешной разработки советскими учеными атомного оружия:
- Потеря США статуса единого государства с атомным оружием. Это не только уравнивало СССР с США по военной мощи, но и заставило последних продумывать каждый свой военный шаг, поскольку теперь нужно было опасаться за ответную реакцию руководства СССР.
- Наличие атомного оружия у СССР закрепило за ним статус сверхдержавы.
- После уравнивания США и СССР в наличие атомного оружия, началась гонка за его количеством. Государства тратили огромные финансы, чтобы превзойти конкурента. Более того, начались попытки создания еще более мощного оружия.
- Эти события послужили стартом ядерной гонки. Многие страны начали вкладывать ресурсы, чтобы пополнить список ядерных государств и обеспечить себе безопасность.
7 февраля 1960 года скончался известный советский ученый Игорь Васильевич Курчатов. Выдающийся физик в самое непростое время создал ядерный щит для своей Родины. Мы расскажем, как разрабатывалась первая атомная бомба в СССР
Открытие ядерной реакции.
Еще с 1918 года в СССР ученые вели исследования в области ядерной физики. Но только перед Второй мировой войной наметился положительный сдвиг. Курчатов вплотную занялся исследованием радиоактивных превращений в 1932 году. А в 1939 году он руководил пуском первого в Советском Союзе циклотрона, который проходил в Радиевом институте в Ленинграде .
В то время этот циклотрон был самым крупным в Европе . После этого последовал ряд открытий. Курчатов обнаружил разветвление ядерной реакции при облучении фосфора нейтронами. А уже через год ученый в своем докладе «Деление тяжелых ядер» обосновал создание уранового ядерного реактора. Курчатов преследовал тогда ранее недостижимую цель, он хотел показать, как на практике использовать ядерную энергию.
Война – камень преткновения.
Благодаря советским ученым, в том числе и Игорю Курчатову, наша страна по развитию ядерных разработок в то время вышла на передовые позиции: было множество научных разработок в этой области, подготавливались кадры. Но начавшаяся война чуть было все не перечеркнула. Все исследования по ядерной физике были прекращены. Московские и ленинградские институты эвакуировали, а сами ученые вынуждены были помогать нуждам фронта. Сам Курчатов работал над защитой кораблей от мин и даже разбирал мины.
Роль разведки.
Многие историки придерживаются мнения, что без разведки и шпионов на Западе , атомная бомба в СССР не появилась бы в такие короткие сроки. С 1939 года информацию по ядерной проблеме собирали ГРУ РККА и 1-е управление НКВД . Первое сообщение о планах создания атомной бомбы в Англии , которая к началу войны была одним из лидеров в ядерных исследованиях, поступило в 1940 году. Среди ученых был член КПГ Фукс. Некоторое время он передавал информацию через шпионов, но потом связь прервалась.
В США работал советский разведчик Семенов . В 1943 году он сообщил, что в Чикаго провели первую цепную ядерную реакцию. Любопытно, что на разведку работала и жена известного скульптора Коненкова . Она приятельствовала с известными физиками Оппенгеймером и Эйнштейном . Разными путями советские власти внедряли своих агентов в центры американских ядерных исследований. А в 1944 году в НКВД был даже создан специальный отдел, занимавшийся сбором информации о западных разработках по ядерной проблеме. В январе 1945 года Фукс передал описание конструкции первой атомной бомбы.
Так что разведка значительно облегчила и ускорила работу советских ученых. И действительно, первое испытание атомной бомбы прошло в 1949 году, хотя американские специалисты предполагали, что это произойдет лет через десять
Гонка вооружений.
Несмотря на разгар военных действий, в сентябре 1942 года Иосиф Сталин подписал распоряжение о возобновлении работы по ядерной проблеме. 11 февраля была создана лаборатория №2, а 10 марта 1943 года Игоря Курчатова назначили научным руководителем проекта по использованию атомной энергии. Курчатова наделили чрезвычайными полномочиями и обещали всяческую поддержку правительства. Так в кратчайшие сроки был создан и испытан первый ядерный реактор. Потом Сталин дал два года на создание самой атомной бомбы, но весной 1948 года этот срок истек. Однако ученые не могли продемонстрировать бомбу, у них не было даже необходимых расщепляющих материалов для ее производства. Сроки отодвинули, но ненамного – до 1 марта 1949 года.
Конечно, научные разработки Курчатова и ученых из его лаборатории не публиковали в открытой печати. Должное освещение они иногда не получали даже в закрытых отчетах из-за нехватки времени. Ученые напряженно работали, чтобы не отставать от конкурентов – западных стран. Особенно после взрывов бомб, которые военные США сбросили на Хиросиму и Нагасаки .
Преодоление трудностей.
Создание ядерного взрывного устройства требовало постройки промышленного ядерного реактора для его наработки. Но тут возникли сложности, ведь необходимые материалы для работы ядерного реактора – уран, графит – еще надо получить.
Отметим, даже для небольшого реактора требовалось около 36 тонн урана, 9 тонн двуокиси урана и около 500 тонн чистейшего графита. Нехватку графита решили к середине 1943 года. Курчатов участвовал в разработке всего технологического процесса. А в мае 1944 года производство графита наладили на Московском электродном заводе. Но нужного количества урана все равно не было.
Через год возобновили работу рудники в Чехословакии и Восточной Германии , открыли месторождения урана на Колыме , в Читинской области, в Средней Азии , в Казахстане , на Украине и Северном Кавказе . После этого начали создавать атомграды. Первый появился на Урале , недалеко от города Кыштым . Курчатов лично руководил закладкой урана в реактор. Затем построили еще три завода – два под Свердловском и один в Горьковской области (Арзамас -16).
Запуск первого ядерного реактора.
Наконец в начале 1948 года группа ученых во главе с Курчатовым приступила к монтажу ядерного реактора. Игорь Васильевич почти постоянно находился на объекте, всю ответственность за принятые решения он взял на себя. Все этапы пуска первого промышленного реактора он провел лично. Попыток было несколько. Так, 8 июня он начал эксперимент. Когда реактор достиг мощности ста киловатт, Курчатов прервал цепную реакцию, потому что для завершения процесса не хватало урана. Курчатов понимал всю опасность опытов и 17 июня записал в оперативном журнале:
Предупреждаю, что в случае остановки подачи воды будет взрыв, поэтому ни при каких обстоятельствах не должна быть прекращена подача воды... Необходимо следить за уровнем воды в аварийных баках и за работой насосных станций.
И только 22 июня 1948 года физик осуществил промышленный пуск реактора, выведя его на полную мощность.
Успешное испытание атомной бомбы.
К 1947 году Курчатову удалось получить лабораторный плутоний-239 – около 20 мкг. Его отделяли из урана химическими методами. Через два года ученым удалось накопить достаточное количество. 5 августа 1949 года его отправили поездом в КБ-11. К этому времени специалисты закончили собирать взрывное устройство. Ядерный заряд, собранный в ночь с 10 на 11 августа, получил индекс 501 для атомной бомбы РДС-1. Как только не расшифровывали эту аббревиатуру: «реактивный двигатель специальный», «реактивный двигатель Сталина», «Россия делает сама».
После опытов устройство разобрали и отправили на полигон. Испытание первого советского ядерного заряда прошло 29 августа на Семипалатинском полигоне. Бомбу установили на башне высотой 37,5 метра. Когда бомба взорвалась, башня полностью разрушилась, а на ее месте образовалась воронка. На следующий день на поле выехали, чтобы проверить действие бомбы. Танки, на которых проверялась сила удара, были перевернуты, пушки искорежило взрывной волной, а десять машин «Победа» сгорели. Отметим, что советская атомная бомба была сделана за 2 года 8 месяцев. У ученых США на это ушло на месяц меньше.
Древнеиндийские и древнегреческие ученые предполагали, что материя состоит из мельчайших неделимых частиц, в своих трактатах они писали об этом задолго до начала нашей эры. В V в. до н. э. греческий ученый Левкипп из Ми-лета и его ученик Демокрит сформулировали понятие атома (греч. atomos «неделимый»). На протяжении многих столетий эта теория оставалась скорее философской, и только в 1803 г. английским химиком Джоном Дальтоном была предложена научная теория атома, подтверждаемая экспериментами.
В конце XIX начале XX в. эту теорию развили в своих трудах Джозеф Томсон, а затем Эрнест Резерфорд, именуемый отцом ядерной физики. Было выяснено, что атом вопреки своему названию не является неделимой конечной частицей, как утверждалось раньше. В 1911 г. физики приняли «планетарную» систему Резерфорда Бора, согласно которой атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Позднее было установлено, что ядро также не является неделимым оно состоит из протонов, заряженных положительно, и не имеющих заряда нейтронов, которые состоят, в свою очередь, из элементарных частиц.
Как только ученым стало более или менее понятно строение атомного ядра, они попытались осуществить давнюю мечту алхимиков превращение одного вещества в другое. В 1934 г. французские ученые Фредерик и Ирен Жолио-Кюри при бомбардировке алюминия альфа-частицами (ядрами атома гелия) получили радиоактивные атомы фосфора, которые, в свою очередь, переходили в устойчивый изотоп кремния более тяжелого элемента, чем алюминий. Возникла идея провести подобный опыт с самым тяжелым природным элементом ураном, открытым в 1789 г. Мартином Клапротом. После того как в 1896 г. Анри Беккерель обнаружил радиоактивность солей урана, этот элемент всерьез заинтересовал ученых.
Э. Резерфорд.
Гриб ядерного взрыва.
В 1938 г. немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман провели опыт, сходный с экспериментом Жолио-Кюри, правда, взяв вместо алюминия уран, они рассчитывали получить новый сверхтяжелый элемент. Однако результат оказался неожиданным: вместо сверхтяжелого получились легкие элементы из средней части периодической таблицы. Через некоторое время физик Лиза Мейтнер предположила, что бомбардировка урана нейтронами приводит к расщеплению (делению) его ядра, в результате чего получаются ядра легких элементов и остается некоторое число свободных нейтронов.
Дальнейшие исследования показали, что природный уран состоит из смеси трех изотопов, причем наименее стабильным из них является уран-235. Время от времени ядра его атомов самопроизвольно делятся на части, этот процесс сопровождается выделением двух-трех свободных нейтронов, которые мчатся со скоростью около 10 тыс. кмс. Ядра наиболее распространенного изото-па-238 в большинстве случаев просто захватывают эти нейтроны, реже происходит превращение урана в нептуний и далее в плутоний-239. При попадании нейтрона в ядро урана-2 3 5 моментально происходит его новое деление.
Было очевидно: если взять достаточно большой кусок чистого (обогащенного) урана-235, реакция деления ядер в нем пойдет лавинообразно эту реакцию назвали цепной. При делении каждого ядра выделяется огромное количество энергии. Было подсчитано, что при полном делении 1 кг урана-235 выделяется столько же тепла, сколько при сжигании 3 тыс. т угля. Этот колоссальный выброс энергии, высвобождающейся в считаные мгновения, должен был проявить себя как взрыв чудовищной силы, что, разумеется, сразу заинтересовало военные ведомства.
Супруги Жолио-Кюри. 1940-е гг.
Л. Мейтнер и О. Ган. 1925 г.
Перед началом Второй мировой войны в Германии и некоторых других странах велись строго засекреченные работы по созданию ядерного оружия. В США исследования, обозначенные как «Манхэттенский проект», стартовали в 1941 г., год спустя в Лос-Аламосе была основана крупнейшая в мире исследовательская лаборатория. Административно проект подчинялся генералу Гровсу научное руководство осуществлял профессор Калифорнийского университета Роберт Оппенгеймер. В работе проекта принимали участие крупнейшие авторитеты в области физики и химии, в том числе 13 лауреатов Нобелевской премии: Энрико Ферми, Джеймс Франк, Нильс Бор, Эрнест Лоуренс и др.
Главной задачей ставилось получение достаточного количества урана-235. Было установлено, что зарядом для бомбы может служить также плутоний-2 39, поэтому работы велись сразу по двум направлениям. Накопление урана-235 должно было осуществляться путем его отделения от основной массы природного урана, а плутоний мог быть получен только в результате управляемой ядерной реакции при облучении нейтронами урана-238. Обогащение природного урана производилось на заводах компании «Вестингауз», а для производства плутония необходимо было построить ядерный реактор.
Именно в реакторе происходил процесс облучения урановых стержней нейтронами, в результате чего часть урана-238 должна была превратиться в плутоний. Источниками нейтронов при этом были делящиеся атомы урана-235, но захват нейтронов ураном-238 не давал начаться цепной реакции. Решить проблему помогло открытие Энрико Ферми, который обнаружил, что нейтроны, замедленные до скорости 22 мс, вызывают цепную реакцию урана-235, но не захватываются ураном-238. В качестве замедлителя Ферми предложил 40-сантиметровый слой графита либо тяжелую воду, в состав которой входит изотоп водорода дейтерий.
Р. Оппенгеймер и генерал-лейтенант Л. Гровс. 1945 г.
Калутрон в Ок-Ридже.
Опытный реактор был сооружен в 1942 г. под трибунами Чикагского стадиона. 2 декабря произошел его успешный экспериментальный запуск. Через год в городе Ок-Ридж был построен новый обогатительный завод и запущен реактор для промышленного получения плутония, а также калутрон устройство для электромагнитного разделения изотопов урана. Общая стоимость работ по проекту составила около 2 млрд долларов. Тем временем в Лос-Аламосе шли работы непосредственно над устройством бомбы и способами детонации заряда.
16 июня 1945 г. неподалеку от города Аламогордо в штате Нью-Мексико в ходе испытаний под кодовым названием Trinity («Троица») было взорвано первое в мире ядерное устройство с плутониевым зарядом и имплозивной (использующей для детонации химическую взрывчатку) схемой подрыва. Мощность взрыва была эквивалентна взрыву 20 килотонн тротила.
Следующим шагом стало боевое применение ядерного оружия против Японии, которая после капитуляции Германии одна продолжала войну против США и их союзников. 6 августа бомбардировщик В-29 «Энола Гэй» под управлением полковника Тиббетса сбросил на Хиросиму бомбу Little Boy («малыш») с урановым зарядом и пушечной (использующей соединение двух блоков для создания критической массы) схемой подрыва. Бомба опускалась на парашюте и взорвалась на высоте 600 м от земли. 9 августа самолет «Бокс Кар» майора Суини сбросил на Нагасаки плутониевую бомбу Fat Man («толстяк»). Последствия взрывов были ужасны. Оба города были практически полностью разрушены, в Хиросиме погибло более 200 тыс. человек, в Нагасаки около 80 тыс. Позже один из пилотов признался, что они видели в эту секунду самое страшное, что только может увидеть человек. Не в силах противостоять новому оружию, японское правительство капитулировало.
Хиросима после атомной бомбардировки.
Взрыв атомной бомбы поставил точку во Второй мировой войне, но фактически начал новую войну «холодную», сопровождаемую безудержной гонкой ядерного вооружения. Советским ученым пришлось догонять американцев. В 1943 г. была создана секретная «лаборатория № 2», которую возглавил известный физик Игорь Васильевич Курчатов. Позднее лаборатория была преобразована в Институт атомной энергии. В декабре 1946 г. на опытном ядерном ураново-графитовом реакторе Ф1 была осуществлена первая цепная реакция. Два года спустя в Советском Союзе построили первый плутониевый завод с несколькими промышленными реакторами, а в августе 1949 г. на Семипалатинском полигоне провели испытательный взрыв первой советской атомной бомбы с плутониевым зарядом РДС-1 мощностью 22 килотонны.
В ноябре 1952 г. на атолле Эниветок в Тихом океане США взорвали первый термоядерный заряд, разрушительная сила которого возникала за счет энергии, высвобождающейся в ходе ядерного синтеза легких элементов в более тяжелые. Через девять месяцев на Семипалатинском полигоне советские ученые испытали РДС-6 термоядерную, или водородную, бомбу мощностью 400 килотонн, разработанную группой ученых под руководством Андрея Дмитриевича Сахарова и Юлия Борисовича Харитона. В октябре 1961 г. на полигоне архипелага Новая Земля была взорвана 50-мега-тонная «Царь-бомба» самая мощная водородная бомба из всех, когда-либо испытанных.
И. В. Курчатов.
На конец 2000-х годов США располагали примерно 5000, а Россия 2800 единицами ядерных боеприпасов на развернутых стратегических носителях, а также значительным количеством тактического ядерного оружия. Этого запаса достаточно, чтобы несколько раз уничтожить всю планету. Всего одна термоядерная бомба средней мощности (около 25 мегатонн) равна 1500 «хиросимам».
В конце 1970-х годов проводились исследования по созданию нейтронного оружия разновидности ядерной бомбы малой мощности. Нейтронная бомба отличается от обычной ядерной тем, что у нее искусственно увеличена та доля энергии взрыва, которая выделяется в виде нейтронного излучения. Это излучение поражает живую силу противника, воздействует на его вооружение и создает радиоактивное заражение местности, при этом воздействие ударной волны и светового излучения ограниченно. Однако ни одна армия мира так и не взяла нейтронные заряды на вооружение.
Хотя использование энергии атома поставило мир на грань уничтожения, у нее есть и мирная ипостась, правда, крайне опасная при выходе из-под контроля это ясно показали аварии на Чернобыльской и Фукусимской атомных электростанциях. Первая в мире АЭС мощностью всего 5 МВт была запущена 27 июня 1954 г. в поселке Обнинское Калужской области (ныне город Обнинск). На сегодняшний день в мире эксплуатируется более 400 АЭС, 10 из них в России. На них вырабатывается около 17 % всей мировой электроэнергии, и показатель этот, скорее всего, будет только увеличиваться. В настоящее время мир не может обойтись без использования ядерной энергии, однако хочется верить, что в будущем человечество найдет более безопасный источник энергопитания.
Пульт управления атомной станции в Обнинске.
Чернобыль после катастрофы.
