Применение тория, протактиния или других материалов

 

2.21. Все предыдущие рассуждения концентрировались вокруг того или иного использования урана; однако, известно, что как торий, так и протактиний также подвергаются делению при бомбардировке быстрыми нейтронами. Большим преимуществом урана, по крайней мере для предварительных работ, является его восприимчивость к медленным нейтронам. Другим двум элементам уделялось немного внимания. Протактиний можно исключить, так как он редко встречается в природе. Торий относительно часто встречается, однако и он не имеет явных преимуществ перед ураном.

2.22. Не следует забывать, что теоретически многие ядерные реакции могут быть использованы для получения энергии. В настоящее время мы не можем указать другого пути возбуждения и управления реакциями, помимо применения реакций деления; однако может случиться, что лабораторным путем будет воспроизведена одна из тех реакций синтеза, о которых уже упоминалось, как об источнике солнечной энергии.

 

НЕОБХОДИМЫЕ КОЛИЧЕСТВА МАТЕРИАЛОВ

 

2.23. Летом 1940 г. невозможно было итти дальше догадок относительно количеств материалов, необходимых для осуществления:

(1) цепной реакции с применением замедлителя,(2) бомбы, основанной на использовании цепной реакции в чистом или по меньшей мере в обогащенном U-235 или плутонии.

В то время в качестве критических размеров бомбы обычно назывались цифры от одного до ста килограммов U-235, который должен был быть выделен из природного урана, взятого в количестве, по крайней мере, в 140 раз большем. Было почти очевидно, что для проведения цепной реакции с медленными нейтронами потребуются тонны урана и замедлителя.

 

ДОСТУПНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ

 

2.24. Данные о составе земной коры указывают на значительное содержание урана и тория (около 4:106 урана и около 12:106 тория по весу). В настоящее время известны залежи урановой руды в Колорадо, в районе Большого Медвежьего озера (Северная Канада), в Иоахимстале (Чехословакия) и в Бельгийском Конго. Известны многие другие месторождения урановой руды, однако их размеры в большинстве случаев не разведаны. Уран всегда встречается вместе с радием, хотя и в значительно больших количествах. Оба часто встречаются вместе с ванадиевыми рудами.

2.25. Торий тоже достаточно широко распространен и встречается в виде окиси тория в весьма большой концентрации в монацитовых песках, имеющихся кое-где в США, но главным образом в Бразилии и в Британской Индии.

2.26. По предварительным грубым оценкам, которые, вероятно, оптимистичны, ядерная энергия, содержащаяся в разведанных месторождениях урана, достаточна для удовлетворения всех энергетических потребностей США на 200 лет (предполагая использование как U-238, так и U-235).

2.27. Как уже было указано, до 1940 года металлического урана было произведено очень мало; сведения об уране были столь скудными, что даже точка плавления его оставалась неизвестной (например, в Handbook of Physics and Chemistry на 1943–1944 гг. указано только, что точка плавления находится ниже 1850 °C в то время, как в настоящее время известно, что она лежит вблизи 1150°). Очевидно, поскольку речь идет об уране, не было непреодолимых трудностей в получении сырья и в производстве металла, однако очень серьезным вопросом было, сколько это займет времени, и во что обойдется производство необходимого количества чистого металла.

2.28. Из материалов, упомянутых выше в качестве пригодных для замедлителей, наиболее очевидными преимуществами обладает дейтерий. Его содержание в обычном водороде составляет приблизительно 1:5000. К 1940 году были разработаны различные методы выделения его из водорода, и в США было получено для экспериментальных целей несколько литров. Единственное крупное производство было сосредоточено на Норвежском заводе, откуда было получено несколько сотен литров тяжелой воды (D2O, окись дейтерия). Как и в отношении урана, решение проблемы зависело только от времени и денег.

2.29. Бериллий в виде силикатов широко распространен, однако лишь в малых по количеству руды месторождениях. В последние несколько лет он нашел широкое применение в качестве компонента в сплавах; однако, для такого применения нет нужды в получении бериллия в виде металла. В 1940 г. в США было произведено только 700 фунтов этого металла.

2.30. В отношении углерода дело обстояло совсем по другому. В США ежегодно производилось много сотен тонн графита. Это являлось одной из причин, делавших графит желательным в качестве замедлителя. Трудности заключались в получении достаточного количества графита требуемой чистоты, в особенности в связи с возросшими потребностями военной промышленности.

 

ОЦЕНКА ВРЕМЕНИ И СТОИМОСТИ

 

2.31. Требования, связанные со средствами и временем, зависели не только от многих неизвестных научных и технологических факторов, но и от политических обстоятельств. Очевидно, для достижения конечной цели могли потребоваться годы и миллионы долларов. Почти все, чего добивались в это время, ограничивалось оценкой, сколько времени и сколько денег потребуется для выяснения научных и технологических перспектив. Казалось, что осуществление и развитие цепной реакции с тепловыми нейтронами в решетке из графита и урана в размерах, позволяющих ответить на вопрос о возможности протекания реакции в действительности, является не очень крупный предприятием. Оценка, сделанная тогда, определяла время, необходимое для получения ответа, сроком в один год и затраты — суммой в 100 000 долларов. Такая оценка относилась к созданию системы цепной реакции очень малой мощности без системы охлаждения и без всяких приспособлений для использования освобождающейся энергии.

 

ВРЕДНОСТЬ ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ

 

2.32. Как уже давно известно, радиоактивные вещества вредно действуют на здоровье. Они испускают весьма проникающие γ -лучи, которые по своему физиологическому воздействию подобны рентгеновским лучам. Радиоактивные вещества испускают также α - и β -лучи, которые хотя и не обладают большой проникающей способностью, но также могут нанести вред здоровью. Количество радия, употребляемое в госпиталях и в обычных физических установках, ограничивается лишь несколькими миллиграммами. Количество радиоактивных материалов, получающихся при делении урана в сравнительно малых установках для цепных реакций, может быть эквивалентно сотням или тысячам граммов радия. Установка для цепной реакции испускает также интенсивное нейтронное излучение, которое по своему вредному действию на здоровье сравнимо с действием γ -лучей. Независимо от своих радиоактивных свойств, уран является в химическом отношении ядом. Таким образом, почти вся работа в этой области, в особенности при наличии цепных реакций и образующихся при этом радиоактивных продуктов, весьма вредна для здоровья.

 

МЕТОД ПОДХОДА К ЗАДАЧЕ

 

2.33. Были два пути разрешения проблемы. Один заключался в постановке ряда точных физических измерений поперечных сечений поглощения различных веществ для различных процессов, вызываемых нейтронами, и для различных энергий нейтронов. Коль скоро такие данные были бы получены, представлялось бы возможным рассчитать с достаточной точностью ход цепной реакции. Другой путь — чисто эмпирический — состоял в смешивании урана или его соединений различными способами с разными замедлителями и в наблюдении происходящих при этом процессов. Подобные же два крайние метода были возможны и в случае решения проблемы разделения изотопов. В действительности в обоих случаях применялся компромиссный способ.

 

ЭНЕРГИЯ ИЛИ БОМБА?

 

2.34. Предполагавшиеся военные преимущества урановых бомб внешне значительно эффектнее, чем преимущества использования урана в качестве источника энергии. Очевидно, что небольшое число урановых бомб может сыграть решающую роль в выигрыше войны стороной, впервые их применившей. Это очень хорошо понимали люди, работавшие в данной области; однако необходимым предварительным этапом развития наших знаний, казалось, было достижение цепной реакции с медленными нейтронами, и оно стало первоочередной задачей группы заинтересованных работников. Решение этой задачи казалось необходимым также для того, чтобы убедить военные власти и более скептически настроенных ученых в том, что вся идея не является просто фантастическим сном. Частью по этим соображениям, частью из-за чрезвычайной секретности идея атомной бомбы не появлялась более в письменных материалах между летом 1940 г. и осенью 1941 г.

 

ВОЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

 

2.35. Если все атомы килограмма U-235 подвергнутся делению, то освобожденная при этом энергия будет эквивалентна энергии, получающейся при взрыве 20 000 тонн тринитротолуола. Если критические размеры бомбы окажутся практически осуществимыми — в пределах, скажем, от одного до сотни килограммов — и все другие проблемы могут быть разрешены, останутся еще два вопроса. Первый, — какой процент способных к делению ядер успеет испытать деление прежде, чем реакция закончится. т. е. какова будет эффективность взрыва? Второй, — каково действие столь мощной концентрации освобождаемой энергии? Если даже будет освобожден только один процент теоретически возможной энергии, то порядок величины взрыва будет совершенно отличным от взрыва, происходящего при действии любых известных до настоящего времени бомб. Таким образом военные эксперты должны были весьма обстоятельно изучить вопрос о значении такой бомбы.

 

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВЫ

 

2.36. Было установлено, (1) что деление урана происходит с освобождением большого количества энергии и (2) что в этом процессе освобождаются избыточные нейтроны, благодаря чему может начаться цепная реакция. То, что такая реакция должна будет происходить и что она может иметь важное военное применение в бомбах, не противоречило никакому из известных до того времени принципов. Однако, идея эта была новой и поэтому казалась сомнительной. Одно было несомненно — что изготовлению такой бомбы должно предшествовать разрешение ряда технических вопросов большой трудности. Вероятно, единственными материалами, пригодными для этих бомб, являются либо U-235, который должен быть отделен от в 140 раз более распространенного изотопа U-238, либо Pu−239, — изотоп совершенно неизвестного до тех пор элемента — плутония, который сам получается в управляемом процессе цепной реакции, также до того времени неизвестном. Было очевидно, что для получения управляемой реакции могла появиться необходимость производства металлического урана и тяжелой воды, бериллия или углерода и притом в больших количествах и высокой чистоты. Коль скоро материал для бомбы получен, необходимо технически разработать способ его безопасного и эффективного использования. В ряде процессов придется встретиться с необходимостью техники безопасности нового типа.

 

ОРГАНИЗАЦИОННАЯ ПРОБЛЕМА

 

2.37. Организованный летом 1940 г. Комитет Исследований Национальной Обороны (National Defense Research Committee — NDRC) предложил многим ученым страны работать над различными важными военными проблемами. Количество ученых было ограниченное (хотя в то время это еще не было полностью осознано). Поэтому возникли значительные трудности при решении вопроса о масштабах, в которых должна вестись работа по атомной бомбе. В течение последующих четырех лет решения приходилось часто пересматривать. Обзор того, как осуществлялись эти решения, сделан в главах III и V.