Ферми. Ядерная энергия - Antonio Hernandez-Fernandez

В Лос-Аламосе было открыто, что для получения эффективной атомной бомбы нужно выстрелить тяжелым шаром урана-235 по ядру того же урана-235, чтобы детонация была достаточно быстрой, а цепная реакция не начиналась раньше времени, замедляя высвобождение энергии. Эта пушечная система впоследствии использовалась при создании ядерной бомбы для Хиросимы, но она работала недостаточно хорошо. Зато плутоний-239, производимый реакторами Хэнфорда, содержал нужное количество изотопов плутония-240, который распадался спонтанно, не вступая в цепную реакцию. Спонтанное деление плутония-240 приводило к преждевременной цепной реакции и вызывало дефективный взрыв. Проблема плутония-240 и его спонтанного деления так беспокоила Ферми, что Оппенгеймер начал сомневаться в том, что создать атомную бомбу вообще возможно. Ферми попробовал уменьшить количество плутония-240, производимого реакторами Хэнфорда, но результат оставался неудовлетворительным. В конце концов Сет Неддермейер понял, как создать плутониевую бомбу. Его идея состояла в том, чтобы получить сферический взрыв плутония. Для этого была важна концентрация материала, поскольку данный взрыв направлен внутрь. При помощи специалиста по взрывчатым веществам Георгия Кистяковского Неддермейер придумал, как добиться того, чтобы ударная волна конвенционального взрыва сжала плутониевый шар вдвое по сравнению с его обычным размером и быстрее, чем цепная реакция, вызванная пушечным методом (см. рисунок). Сжатая сфера плутония легко достигала надкритичности.

Общая схема бомб двух типов, разработанных в рамках Манхэттенского проекта: пушечная бомба на основе урана-235 и плутониевая бомба.

В феврале 1945 года правительство США запланировало взрыв первой атомной бомбы в истории: это был проект «Тринити». Президент Трумэн, сменивший Рузвельта, решительно хотел завершить войну и в мае 1945 года создал комиссию, которая должна была оценить целесообразность использования бомбы. Советские войска уже вошли в Берлин, Гитлер покончил с собой, а Германия 8 мая официально капитулировала. Однако японский фронт еще держался. Трумэн созвал научный комитет под руководством Оппенгеймера, Ферми, Лоуренса и Комптона, чтобы проконсультироваться о возможности применения ядерного оружия. Этот комитет отправил Трумэну 11 июня длинный документ, в котором рекомендовал не использовать атомную бомбу в военных целях или, самое большее, продемонстрировать японцам ее мощь на пустом пространстве. Члены комитета по-разному оценивали эффективность такой демонстрации. Если Ферми не верил в то, что она даст результат, то Силард предлагал организовать такой «показ» перед японскими учеными и военными. С другой стороны, бомбардировки уже привели к тысячам жертв среди мирного населения Японии. Военное командование оказывало на ученых все большее давление, так как число жертв росло, и американское общество хотело как можно быстрее положить конец конфликту. В своем докладе, составленном в конце июня, комитет писал:

«Запросили нашу точку зрения на первое использование нового оружия... Мнения наших коллег-ученых разделились и колеблются между простой технической демонстрацией и военным применением, которое скорее убедило бы японцев сдаться... Мы не в состоянии предложить техническую демонстрацию, которая положила бы конец войне; мы не видим другой приемлемой альтернативы, кроме как прямое использование в военных целях».

Месяц спустя, 16 июля 1945 года, в 5:29, в пустынной местности около Аламогордо, в южной части штата Нью-Мексико, была взорвана первая атомная бомба. Испытание «Тринити» было успешным и произвело ужасающее впечатление. В конце концов было решено использовать имплозивную плутониевую бомбу. Хэнфордские реакторы по указу генерала Гровса работали на полную мощность, чтобы произвести нужное количество плутония. Бомба была собрана. Сегодня мы сказали бы, что ее конструкция была избыточной, а структура — неоптимальной, но, тем не менее, она оказалась эффективной. Манхэттенский проект не мог позволить себе поражение.

Атомную бомбу можно считать одной из главных природных катастроф.

Энрико Ферми

Плутониевая бомба напоминала смертоносную луковицу. В ее центре находился инициатор — небольшой источник нейтронов полония и бериллия, который давал начало цепной реакции. Вокруг него — шар из плутония-239 весом 4,5 кг, окруженный природным ураном, который, в свою очередь, был окружен двумя тоннами взрывчатки. Его волны после детонации должны были вызвать сферический взрыв плутониевой сферы. Природный уран служил для того, чтобы направить нейтроны, участвующие в цепной реакции, к внешней стороне, а также задержать имплозию до необходимого момента. Ферми и другие ученые расположились примерно в 10 км от стальной башни, внутри которой находилась бомба, когда произошла детонация.

Следуя своему методу простого решения сложных задач, Ферми уронил на пол пачку бумажных листов ровно в тот момент, когда до него докатилась ударная волна. Затем он шагами измерил расстояние, на которое они отлетели, и смог примерно оценить мощь бомбы. Ко всеобщему удивлению, через несколько дней, когда были произведены более основательные подсчеты, его оценка подтвердилась. Ферми предположил, что энергия бомбы соответствовала 10 тысячам тонн тринитротолуола. Закончив вычисления, он вместе с остальными руководителями Манхэттенского проекта и представителями высшего военного командования сел в танк Sherman, покрытый свинцом, и подъехал к месту взрыва. Там образовался кратер радиусом 365 м, покрытый твердым стеклообразным слоем ярко-зеленого цвета — расплавленным и застывшим песком. Этот новый минерал назвали тринититом.

Бомбардировщик В-29 под названием Enola Gay сбросил 6 августа 1945 года на Хиросиму «Малыша» (Little Boy) — бомбу на основе урана-235, от которой погибли почти 100 тысяч человек. Плутониевая бомба «Толстяк» (Fat Man), сброшенная 9 августа с другого В-29, Bock’s Саг, стерла с лица Земли Нагасаки, уничтожив 40 тысяч человек. В следующие недели умерли тысячи раненых японцев. Смерти от лучевой болезни продолжались долгие годы, включая несколько последующих поколений. После этих двух величайших катастроф в истории человечества 14 августа Япония капитулировала.

Манхэттенский проект завершился так, как и предлагали его организаторы: оба вида бомб были протестированы в военных условиях. Жертвы среди гражданского населения были неизбежным «побочным эффектом». Однако ученые переживали эти события иначе. Те из них, кто принимал активное участие в проекте, 19 марта 1946 года в Чикаго получили от генерала Гровса медаль за заслуги. Ферми был в их числе. В дипломе, который ему вручили вместе с медалью, говорилось, что он «внес основополагающий вклад в успех создания атомной бомбы».

Ученый стал героем войны, но его мучила совесть. Годы спустя он высказывался за исключительно гражданское применение ядерной энергии. Нравственные страдания, вызванные его участием в разработке самого жуткого оружия массового поражения в истории, не покинули Ферми до самой смерти.

Благодаря космической радиации были получены сведения, позволившие открыть новые частицы. Ферми принял участие в развитии информатики, ставшей необходимой для работы с огромными массивами данных. Изучение космоса привело человечество к неизбежному вопросу: «Одни ли мы во Вселенной?»