Читать книгу: «История ракетно-ядерной гонки США и СССР», страница 4

Манхэттенский проект и манхэттенский инженерный округ

Германский и американский атомные проекты. Новая технология: проблемы разделения изотопов Урана-235, получения оружейного плутония

Манхэттенский инженерный округ был образован 13.08.1942 г. под руководством Д. Маршалла, но уже 17.09.1942 г. его сменил генерал Лесли Гровс. Лаборатория в Лос-Аламосе начала функционировать с весны 1943 г. (выбор места для неё: ноябрь 1942 г.). См. [69], с. 57.

Начальные количества урана – более 1 тыс. т урановой руды с высоким содержанием урана (около 3 %) американцы смогли в ходе войны достать в Бельгийском Конго, – им удалось заключить соглашение и о дальнейших поставках руды. И им удалось достать сотни тонн урана и урановой руды в Европе в результате миссии «Алсос», – она начиналась в Италии, а затем распространилась на Францию и на Германию. Казус названия «Алсос» состоял в случайном совпадении: в переводе с греческого это слово означало то же, что и слово «гровс» в переводе с английского – «роща».

Разведывательная миссия Управления Стратегических Служб (УСС) Уильяма Донована (прозванного «Диким Биллом»), названная «АЗУСА», работала под прикрытием проекта Ларсона, разработанного УСС для поиска и «освобождения» итальянских ученых-ракетчиков. Ее реальной целью стала немецкая атомная программа. Столкнувшись с рабочей группой этой миссии во главе с капитаном, полковник Паш (возглавлявший миссию «АЛСОС») фактически подмял «под себя», не потерпев никаких «помех» сторонних представителей спецслужб.

В разведывательных операциях по захвату германской атомной программы американцы серьёзно преуспели. В Германии американцы добыли и определённое количество тяжёлой воды, вывезли оборудование, документацию и наиболее известных немецких физиков. При этом активно вторглись в зону действия французов в районе Эхингена. А недоступный им атомный завод «Ауэр» по производству урана и тория концерна «Аургезельшафт» в Ораниенбурге (севернее Берлина) 15 марта 1945 г. разбомбили ударом 612 «летающих крепостей» В-17 потому, что он попадал в зону советской оккупации. Сбросили 1506 тонн фугасных и 178 тонн зажигательных бомб. В книге Л. Гровса [23] об этом рассказано. Для прикрытия цели этой ковровой бомбёжки разбомбили и расположенный рядом городок Цоссен, где находился «штаб вермахта», – при этом тяжело ранили начальника германского Генштаба генерала Гудериана. Но советские власти поняли смысл этих бомбардировок, – Н. Риль узнал об этом от советских офицеров. В апреле 1945 г. Л. Гровс подготовил к вывозу основного немецкого запаса 1200 тонн урановой руды из соляной шахты в окрестностях Штрассфурта, который должен был попасть в советскую зону оккупации (см. [20], с. 155).

Для советского атомного проекта тоже удалось получить несколько сотен тонн урановой руды в Чехословакии, Болгарии и в Германии – в виде «военных трофеев». Удалось из Германии вывезти оборудование, приборы и документацию. Кикоин И. К., Харитон Ю. Б., Арцимович Л. А. и другие физики искали оборудование и документы в обществе Кайзера Вильгельма, но оказалось, что оборудование американцы вывезли в ходе миссии «Алсос». Кикоин попросил немецкого физика Людвига Бивелота дать ему ключи от сейфов с секретной документацией и… тот выдал ему и ключи, и сейфы, набитые документами. После долгих поисков в Германии удалось найти и отправить в СССР 112 тонн оксида урана (см. [40], т.2, c. 106).

Удалось привлечь и ряд германских учёных – Арденне, Штеенбека, Рилля, Циппе (он эмигрировал в СССР ещё до войны). Из германских и советских учёных создали 2 группы – «А» – группа Манфреда Арденне располагалась на территории дендропарка в Сухуми, в здании санатория ВЦИК. А группа «Г» Густава Герца (впоследствии – академика СССР) – на территории санатория в посёлке Гульрипш в 12 км от Сухуми. Группы имели номер почтового ящика п/я 0908. Сектор Штеенбека активно занимался вопросами создания газовой центрифуги для разделения изотопов урана. Николаус (Николай) Рилль очень помог в создании советского предприятия по производству металлического урана – за это ему позже присвоили звание Героя социалистического труда. Штеенбек и Циппе стояли у истоков проектирования советских газовых центрифуг, – их помощь на самых первых этапах разработки существенна и несомненна, но на первых этапах разработка центрифуг с длинным ротором решить проблему вибраций ротора не удалось. Роторы центрифуг разрушались из-за резонансных колебаний. Не были эффективно решены и проблемы подачи и отвода газа во внутренние полости роторов и циркуляции газа внутри роторов, – эти проблемы не позволили внедрить метод газового центрифугирования, и от него в 40-х годах отказались и немцы, и американцы. Но немцы создали опорный узел в виде стальной иглы на подпятнике из сверхтвёрдого справа в масляной ванне и магнитную подвеску верхнего конца ротора. Проблемы удалось решить советским инженерам в 50-е годы, создав докритическую центрифугу с коротким ротором (ниже об этом рассказано, как и о «своём» решении этой проблемы немецкими учёными за границей). Кроме вопросов атомных технологий немецкие специалисты занимались разработкой физических приборов (масс-спектрографов), вопросами радиолокации и первые опыты по термоядерному синтезу на установках «Августина», «Бетта» и «Зетта».

Можно заметить, что германским учёным в начале 1945 года цепную реакцию в собранном ими реакторе на «тяжёлой воде» осуществить не удалось, – коэффициент размножения нейтронов, выжав из установки всё, получили не более 0,62 – это существенно меньше заветной «единицы». Поэтому по срокам пуска реактора и создания бомбы в США и СССР в 2 года и 8 месяцев, создать атомную бомбу они могли никак не раньше 1948 года, – до этого года нацистская Германия дожить не могла. И даже несколько десятков атомных бомб её бы, конечно, не спасли. А крупные заводы по производству урана германцам пришлось бы возводить под землёй – иначе их бы сразу разрушила авиация союзников. И уж, конечно, если бы Германия затянула войну и не потерпела поражение в мае 45-го, то её бы в августе 45-го американцы «грохнули» атомными бомбами по паре крупных городов, – так же, как сожгли бомбардировками Дрезден. О германском атомном проекте в 1942 г. англичан хорошо информировал профессор Пауль Росбауд, научный редактор издательства «Шпрингер» (см. [20], с. 128).

Чисто «теоретически» нацистская Германия могла создать атомную бомбу к концу войны, но для этого ей надо было не ранее 1939 года ввести жёсткую централизацию и управление атомным проектом на государственном уровне, отпустить на проект огромные средства и «продавить» все работы по созданию целой отрасли атомной промышленности. В условиях войны с СССР это было сделать практически невозможно, – для этого просто не хватило бы ресурсов. Германии, к примеру, надо бы было отказаться от строительства и поддержания подводного флота, реактивных истребителей и ракет ФАУ-1 и ФАУ-2. Боевой же эффект от применения одной-двух ядерных бомб (и даже двух-трёх десятков) не мог бы оправдать затрат и потерь в части боевого оснащения вооружённых сил. У высшего руководства Германии не было никакого понимания относительно важности и перспектив создания атомного оружия. У германских физиков не было чёткого понимания и о реальных сроках, и о реальном уровне затрат на ЯО, – его создание они считали вопросом будущего, отдалённого не на 5, а на 10 и более лет.

В Германии реально имело место ослабление научного потенциала из-за эмиграции многих учёных, распыление научных сил по разным направлениям исследований без их чёткой ориентации на выполнение военных задач и попытки решить задачу с весьма ограниченными средствами без чётких представлений о затратах на программу. Сама война наложила печать обречённости на ход работ: они тормозились диверсиями (например, на заводах тяжёлой воды в Норвегии) и бомбёжками объектов в Германии. Допущенные в ходе экспериментов ошибки не удалось быстро исправить. В этом смысле, например, характерна крупная ошибка физика Боте. При определении длины пробега тепловых нейтронов внутри графита в январе 1941 года он ошибся в два раза (вместо 61–70 см у него получилось 35), из-за чего сделал неверный вывод о невозможности использования графита в качестве замедлителя нейтронов в реакторах. А коллеги ошибку не обнаружили, а подтвердили «правильность» результатов ошибочного эксперимента до обнаружения ошибки только в январе 1945 года. А ведь в первом американском и советском ядерных реакторах в качестве замедлителя использовали чистый графит, а не тяжёлую воду. Создать «бомбу» было невозможно без создания целой новой отрасли атомной промышленности, – вот до такого уровня германским физикам подняться не удалось, – в Германии не обнаружили таких огромных предприятий. Хотя по уровню многих разработок в 1945 году германский атомный проект был сравним с советским, и даже опережал его по ряду позиций. Но германский проект был обречён из-за поражения Германии в войне, а советский проект после Победы стал набирать силу.

Ядерный проект Японии во время Второй мировой войны возглавлял профессор Ёсио Нисима. Он не сумел продвинуться далеко, разрабатывая только электромагнитный способ разделения изотопов на небольших циклотронах, достигнутая мощность которых была значительно ниже циклотрона на установке Y-12 Лоуренса. После окончания войны американцы уничтожили японские установки, поняв, что для них они научно ценности не представляют.

Суперзаводы и комбинаты для создания ядерного оружия

«Супероружие» не могло возникнуть ранее «супер-сооружений» и «супер-комбинатов» для его производства. Проблема состояла в разделении изотопов урана – надо было отделить ядерное горючее – уран-235 от урана 238 – для этого требовались огромные производственные мощности с новыми машинами, поскольку обычными химическими методами разделение выполнить невозможно. И требовались крупные реакторные установки с мощностями порядка сотен МВт для получения оружейного плутония из природного урана. В Ок-Ридже (штат Тенесси) были возведен завод К-25 по обогащению урана, реакторная установка Х10 по производству плутония и крупный ускоритель на объекте Y12. В Лос-Аламосе (штат Нью-Мексико) возвели «атомный город» с лабораториями и заводами по производству атомного оружия. В штате Нью-Мексико был создан и первый полигон Аламогордо для испытания атомного оружия, – вначале он, как и первое испытание (устройства «Штучка», – Gadget) назывался «Тринити» («троица» – были созданы 3 атомных бомбы, которые испытали в Аламогордо и на двух японских городах). В городе Хэнфорде (штат Вашингтон, берег реки Колумбия) построили мощный реактор для производства плутония, Первые атомные бомбы были созданы только тогда, когда эти предприятия были построены и смогли «наработать» необходимое для бомб количество расщепляющих материалов – плутония-239 и оружейного урана-235. И когда в лабораториях Лос-Аламоса отработали и создали конструкции первых атомных устройств «Штучка» (Gadget), бомбы «Малыш» (Little Boy) и «Толстяк» (Fat Man). Главным был процесс наработки расщепляющихся материалов, – остальные процессы тоже были сложны, но они потребовали меньшего времени и меньших промышленных мощностей).

Обогащённый до концентрации не менее 90 % изотопа урана-235 (т. е. примерно в 129 раз по сравнению с природным ураном) являлся оружейным ураном для атомных бомб. А обогащённый до 25–30 % уран используется в реакторах на быстрых нейтронах, которые способны воспроизводить и размножать ядерное топливо для использования его в подобных реакторах. Менее обогащённый до 3–5 % уран позже стали использовать в реакторах на медленных (тепловых) нейтронах для получения плутония-239. Уран с таким низким обогащением можно использовать в реакторах с замедлителем обычной, а не тяжёлой водой. На первых этапах в реакторах на медленных нейтронах для получения плутония-239 использовали природный, не обогащённый уран и замедлитель нейтронов из чистого графита. Замедленные графитом нейтроны отражались и или поглощались ядрами урана-238 с превращением «по цепочке» в плутоний-239, или делили ядра урана-235, поддерживая течение цепной ядерной реакции с большим выделением нейтронов. Поэтому в реакторе с замедлителем оказалось возможным получить цепную ядерную реакцию при достаточном количестве урана и замедлителя.

Американцы вели работу по нескольким направлениям, не считаясь с затратами. Лабораторные установки давали микроскопические количества урана-235, а для создания атомных бомб требовались огромные мощности обогатительных заводов. Например, чтобы собрать нужное для бомбы количество Урана-235 пришлось создать огромный ускоритель на заводе Y-12 в Ок-Ридже (Oak Ridge), штат Теннесси. На этом заводе для установки «Каллютрон» (Culutron) электромагнитного разделения изотопов урана потребовалось 14,7 тысяч тонн медной проволоки, но получить такие «лимиты» в условиях войны не удалось. Тогда решили закупить и сделать проволоку примерно из такого же количества серебра, поскольку Казначейство располагало несколькими десятками тысяч тонн. Для этого взяли огромный кредит в ФРС США на сумму 300 млн. долларов, – и их ФРС выделила. В «Каллютроне» разделение изотопов производилось путём отклонения ионизированных молекул в магнитном поле. Более лёгкие молекулы с ураном-235 отклонялись по траекториям с другим радиусом и улавливались мишенью. На «Каллютроне» после ввода его на полную мощность производили 400 г оружейного урана-235 в сутки. Позже электромагнитную технологию использовали для получения изотопов других элементов, – в первую очередь, ЛИТИЯ-6 для термоядерного оружия. «Каллютрон» создал Э. О. Лоуренс – изобретатель циклотрона, – он первым в мире превратил «линейные» ускорители элементарных частиц в ускорители с замкнутой круговой, овальной или спиральной катушкой из магнитов, позволившей ускорять частицы до высоких энергий при движении «по кругу». Причём чем большей была эта «катушка» и чем сильнее в ней магнитное поле, – тем до больших энергий удавалось ускорять частицы. Разновидности таких огромных ускорителей использовали и для исследовательских, и для производственных целей.

Операторы Calutron на заводе Y-12 в Ок-Ридже по обогащению урана (США). Глэдис Оуэнс, сидящая справа на переднем плане, не знала, чем она занимается на работе (здесь она работала 8 месяцев), до того, как увидела эту фотографию 50 лет спустя на общественной выставке

Циклотрон Calutron Лоуренса на заводе Y-12 в Ок-Ридже, штат Тенесси, – на его катушки ушло 14 700 тонн серебра

Методом газовой диффузии обогащённый уран для бомбы «Малыш» получили на заводе К-25, но первоначальное обогащение всего на уровне 7 % после запуска этого завода оказалось недостаточным, – надо было обогатить уран до 90–92 % содержания Урана-235. Для первой атомной бомбы этот процент обогащения получили на «Каллютроне». Такая технология оказалась слишком долгой и затратной (особенно по затратам электроэнергии), и для массового производства атомных бомб далее не применялась. Путём наращивания дополнительных каскадов машин газодиффузионную технологию «довели» до выхода на них оружейного урана-235 как в США, так и в СССР (с отставанием на 5 лет – ниже об этом рассказано).

Завод К-25 в Ок-Ридже был первым крупным заводом по обогащению урана. Его строительство началось в июне 1943 года, и в начале 1945 уже было завершено. К этому времени К-25 стал крупнейшим сооружением мира и самым дорогим сооружением в рамках Манхэттенского проекта. Расходы только на строительство составили 512 миллионов долларов. К огромным по масштабам строительным работам привлекли одновременно множество строительных фирм. Сооружение выполнено в форме большой буквы U длиной 800 м и шириной 300 м. Таким образом, по занимаемой площади К-25 превышает Пентагон примерно в 2 раза (площадь Пентагона 116 тыс. кв м, а каждая из сторон его фасада: 281 м). В 1954 году Ок-Ридж потреблял 10 % электроэнергии, вырабатываемой в США. Строительство начали раньше, чем разработали саму технологию газовой диффузии. В 1944 году в здании работало более 25 тыс. человек. Большая часть из них не знала, над чем они работают. Чтобы разместить рабочих в непосредственной близости был сооружён микрорайон Happy Valley, в котором сначала 15 000 рабочих жили в жилищных вагончиках. Производство прекратили в 1987 году, а в 2010 году здание разобрали. После дезактивации только небольшой, наименее заражённый участок здания в основании U сохранили в качестве музея. Фото завода, Ок-Риджа и сноса завода – см. https://specnazspn.livejournal.com/1647131.html.

Корпуса завода К-25 в Ок-Ридже (на пике работ: 100 000 рабочих)

Завод К-25 с корпусами «километровой» длины, в которых на нескольких этажах установлены многие тысячи газодиффузионных машин

Главный диспетчерский пост завода К-25 в Ок-Ридже

Ок-Ридж 21 апреля 1959 года – город, возникший на месте полупустыни

Первый американский экспериментальный уран-графитовый ядерный реактор «Чикагская поленница» (Chicago Pile-1, CP-1) Энрико Ферми запустил и первым в мире получил на нём цепную ядерную реакцию 2 декабря 1942 года под западными трибунами стадиона «Стат Филд» в Чикаго. Реактор позволил изучить процессы управления реакторными установками. Но перед созданием крупных реакторов американцы в Ок-Ридже возвели ещё один небольшой экспериментальный реактор «Х-10», который достиг критического состояния в ноябре 1943 г. Американцы на нём обнаружили отличие в составе плутония, полученного на ускорителях, от плутония, полученного из реакторов. Оказалось, что различие состояло в разном содержании изотопа плутония-240. Этот изотоп из-за излучения нейтронов, в частности, изменял условия инициирования ядерного заряда, – «пушечная схема» атомной бомбы для плутония не годилась.

При создании крупных реакторных установок для производства плутония серьёзные проблемы возникли и у американцев, и в СССР, но сведения о них тщательно засекретили. Советские и американские реакторы заметно отличались по конструкции: если американские реакторы имели горизонтальную загрузку топливных сборок и тепловых каналов, то советские имели более удачную вертикальную загрузку.

Сам факт существенных конструктивных различий говорит о том, что технологию постройки реакторов не «позаимствовали в США», – её советские учёные разработали самостоятельно. У американцев из-за плотной кладки графитовых блоков и разбухания тепловых каналов от нагрева и ядерных реакций возникли трещины в стенках реакторов, в сборках и протечки теплоносителя (воды), охлаждавших активную зону. Эти аварии приводили к длительным остановкам реакторов для ремонта, к необходимости перекладок сборок и всей активной зоны и к облучению персонала. О проблемах на советских реакторах сказано ниже. Крупные реакторные установки в США возвели в Ханфорде (округ Бентон, штат Вашингтон) – практически весь старый городок выселили, снесли и построили на нём атомный комплекс и новый город.

Первый промышленный реактор В в Хэнфорде-США

«…Экспериментальный реактор Х-10 в Ок-Ридже представлял собой промежуточное звено между самым первым реактором из Чикаго и крупными реакторами, которые конструировались в Хэнфорде. Чикагский реактор генерировал совсем мало энергии – не больше ватта. Х-10 давал уже миллион ватт. Три хэнфордских реактора, обозначенные В, D и F, были созданы и эксплуатировались фирмой Дюпон. Они были рассчитаны на 250 миллионов ватт. Каждый реактор состоял из графитового цилиндра размером 8,5 на 11 метров, весил около 1200 тонн и содержал 2004 равноудаленных алюминиевых трубки, просверленные по всей длине. В этих трубах помещались урановые элементы – цилиндры диаметром около 2,5 см, заключенные в алюминиевую оболочку. В трубы накачивалась охлаждающая вода. Она обтекала урановые элементы со скоростью около 280 000 литров в минуту. Реактор предназначался исключительно для производства плутония – никаких попыток улавливания тепловой энергии, выделяемой реактором, и преобразования ее в электричество не предпринималось…» (См. Бэггот, см. [25] с. 169).

Промышленный реактор В фирмы Дюпон в Хэнфорде. Горизонтально расположенные трубы с тепловыделяющими элементами пронизывают активную зону отражателя из чистого графита. По трубам насосами прокачивается охлаждающая активную зону вода со скоростью 4,67 кубометра в с.

Поначалу реактор В работал нормально. Но затем реакция в нём стала угасать, пока не остановилась совсем. Через некоторое время физику Уиллеру стало ясно, что причиной остановки могли стать продукты распада, которые активно поглощали нейтроны, и реакция гасла.

Когда в 1938 году Ган и Штрассман обнаружили, что в результате бомбардировки урана нейтронами синтезируется барий, они открыли стабильный конечный продукт долгой и сложной серии ядерных реакций. Когда уран-235 захватывает нейтрон, делится нестабильное ядро урана-236. В ходе одной из возможных ядерных реакций получается цирконий (Zr-98), теллур (Те-135) и три нейтрона. Изотоп циркония радиоактивен, из него получается ниобий, а затем молибден. Аналогично радиоактивный изотоп теллура распадается сначала до йода, потом до ксенона, далее – до цезия и, наконец, до бария.

Уиллер решил, что если один из продуктов этих реакций имеет высокое сродство к нейтронам, то он будет ингибировать (тормозить, подавлять) ядерную реакцию, поглощая свободные нейтроны до тех пор, пока их не станет слишком мало и реакция остановится. Чем больше синтезируется «яда», тем сложнее поддерживать производительность реактора. В конечном счете «яд» подавит реакцию и реактор остановится. В апреле 1942 года Уиллер сделал еще некоторые расчеты и пришел к выводу, что самоотравление может стать серьезной проблемой лишь в том случае, если один из промежуточных продуктов реактора имеет сильный «аппетит» на медленные, «термические» нейтроны. Причем интенсивность захвата нейтронов у такого продукта должна быть примерно в 150 раз выше, чем у самого урана-235.

После проверки реактора «В» оказалось, что воды в нем нет. Теперь наиболее очевидной причиной его остановки представлялось самоотравление. Вскоре после полуночи с 27 на 28 сентября работа реактора возобновилась – около полудня он вновь выдавал девять миллионов ватт, а потом реакция снова стала затухать. Это явление, в свою очередь, свидетельствовало, что «яд» также радиоактивен и имеет период полураспада около 11 часов – примерно столько времени понадобилось, чтобы восстановить работу реактора. Уиллер проверил таблицу измеренных значений полураспада и обнаружил ядерного паразита. Это был изотоп ксенона Хе-135 (с периодом полураспада 9,1 часа по современным данным). Позже выяснилось, что он захватывал нейтроны примерно в 4000 раз активнее, чем уран-235! Продукты распада оставались в структуре металла (урана) и не улетучивались (даже если это был газ) – удалить их можно было только при переработке материалов тепловыделяющих сборок. Продукты распада вызывали разбухание топливных сборок и деформации их оболочек.

После того как проблему обнаружили, устранить ее оказалось относительно просто. Разумеется, физику ядерных реакций изменить было невозможно. Реактор в любом случае синтезировал бы ксенон-135 и сам себя отравлял. Решение было в следующем: в реактор понемногу добавляется урановое топливо – в результате при реакции будет гарантированно генерироваться больше нейтронов, чем сможет поглотить ксенон при равновесной концентрации. К счастью, конструкция реактора допускала такие незапланированные доработки. Для просверливания дополнительных трубок требовались бы значительные затраты и остановка реактора. Предусмотрительность Уиллера себя оправдала. Необходимое урановое топливо можно было добавлять в реактор без кардинальных конструкторских изменений. (см. [25] с. 170).

А проблемы с ксеноном-135 и с разбуханием топливных сборок ТВЭЛов остались в качестве «головной боли» при управлении и более совершенными реакторными установками.

В 1949 году в США уже запустили 4 промышленных реактора по наработке оружейного плутония с мощностью 250 МВт, причём два из них были пущены в сентябре и ноябре 1944 года, а один – в начале 1945 года. К концу 1949 года на этих реакторах было наработано около 700 кг оружейного плутония, в том числе к концу 1945 года – около 120 кг. Такие «темпы» введения реакторов говорили о том, что США намеревались производить атомные бомбы никак не в единичных экземплярах, а массово. Отметим, что СССР к концу 1949 году вряд ли располагал количеством плутония, заметно превышающим 10 кг (Андрюшин, см. [25], с. 38.), в частности, и потому, что к этому сроку в СССР было изготовлено только две атомные бомбы (одну взорвали 29 августа).