Уровень знаний в апреле 1943 года

 

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМЫ

 

12.8. В главе II мы установили общие условия, необходимые для получения саморазвивающейся цепной реакции. Было указано, что имеются четыре взаимно конкурирующих процесса, в которых принимают участие нейтроны: (1) захват нейтронов ураном, приводящий к делению последнего; (2) захват нейтронов ураном без деления; (3) захват примесями и (4) вылет нейтронов из системы. Условием получения такой цепной реакции служит то, что в процессе (1) будет возникать столько же новых нейтронов, сколько их расходуется или теряется во всех четырех процессах, вместе взятых. Указывалось, что процесс (2) можно ослабить устранением изотопа U-238 или применением решетки и замедлителя; процесс (3) можно ослабить достижением высокой степени химической чистоты; процесс же (4) можно ослабить (относительно) увеличением размеров системы. В наших прежних обсуждениях цепных реакций всегда предполагалось, что цепная реакция не должна сопровождаться взрывом системы. Теперь же мы хотим посмотреть, что надо сделать, чтобы заставить систему взорваться.

12.9. По определению, взрыв есть внезапное и бурное выделение (в небольшом объеме) большого количества энергии. Для эффективного взрыва атомной бомбы части ее не должны заметно отодвинуться друг от друга, прежде чем выделится значительная часть имеющейся в наличии ядерной энергии, так как расширение приводит к увеличению вылета нейтронов из системы и следовательно, к преждевременному прекращению цепной реакции. Иначе говоря, эффективность атомной бомбы зависит от отношения: (а) скорости, с которой нейтроны, освобожденные первыми делениями, проникают в другие ядра и вызывают дальнейшие деления и (b) скорости, с которой бомба разлетается на части. Пользуясь известными законами выделения энергии, повышения температуры и давления, расширения твердых тел и газов, можно было оценить порядок промежутка времени между началом и концом ядерной цепной реакции. Почти все технические трудности Проекта связаны с необычайной малостью этого интервала.

12.10. В предыдущих главах мы установили, что саморазвивающаяся цепная реакция не может быть вызвана в массе чистого металлического урана, независимо от ее размеров, из-за паразитного захвата нейтронов ураном-238. Это заключение было результатом различных теоретических вычислений, а также прямого эксперимента. Чтобы получить невзрывающийся котел, можно применить решетку и замедлитель, что в достаточной мере уменьшает паразитные захваты. Для осуществления взрывающейся системы этот прием, как оказалось, неудовлетворителен в двух отношениях. Во-первых, процесс на тепловых нейтронах развивается столь медленно, что в результате получился бы лишь слабый взрыв. Во-вторых, котел получается слишком большим для транспортировки. Поэтому для осуществления взрывающейся системы необходимо исключить паразитный захват, удалив большую часть U-238, или применив плутоний.

12.11. Эти общие положения, как и многие другие, были твердо установлены еще до возникновения Лос-Аламосского проекта.

 

КРИТИЧЕСКИЕ РАЗМЕРЫ

 

12.12. Вычисление критических размеров является проблемой, которую мы уже обсуждали в связи с вопросом о котлах. Хотя расчет для однородного металла проще, чем для решетки, но в начальном периоде работы оставались неточности, обусловленные как недостаточно точным знанием постоянных, так и математическими трудностями. Так, поперечные сечения рассеяния, деления и поглощения нейтронов ядрами, участвующими в реакции, меняются со скоростью нейтронов. Детали этих изменений не были известны экспериментально и крайне трудно учитывались при расчетах. Весной 1943 г. на основе использования различных методов вычисления и наиболее надежных ядерных постоянных были высказаны некоторые суждения о критических размерах, но все же пределы ошибок оставались большими.

 

ОТРАЖАЮЩАЯ ОБОЛОЧКА

 

12.13. Критические размеры урано-графитового котла могут быть значительно уменьшены, если он окружен слоем графита, так как эта оболочка отражает много нейтронов обратно в котел. Подобную оболочку можно применить и для уменьшения критических размеров бомбы, однако, здесь она играет еще дополнительную роль: ее собственная инерция задерживает расширение реагирующего материала. Применение ее приводит к более длительному, более энергичному и эффективному взрыву. Наиболее эффективной является оболочка, имеющая максимальную плотность: высокая прочность на разрыв оказывается несущественной. Благодаря счастливому совпадению, материалы высокой плотности одновременно являются и превосходными отражателями нейтронов.