РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ
РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ
РАЗДЕЛЕНИЕ В НЕБОЛЬШИХ МАСШТАБАХ ПРИ ПОМОЩИ МАСС-СПЕКТРОГРАФА
4.29. В главе I было указано, что в результате частичного разделения небольших количеств изотопов урана в масс-спектрографе А.О. Нира и изучения ядерных свойств образцов было установлено, что деление урана под действием тепловых нейтронов следует приписать изотопу U-235. Дополнительно небольшие количества были доставлены Ниром летом 1941 г. и изучены Н.П. Гейденбургом и другими в руководимой М.А. Тьювом лаборатории отделения земного магнетизма Института Карнеги в Вашингтоне. Но результаты этих опытов были лишь предварительными и было, очевидно, желательно дальнейшее изучение более крупных и более тщательно разделенных образцов.
4.30. Потребность в больших количествах U-235 побудила Э.О. Лоуренса в Беркли работать над электромагнитным разделением. Он достиг замечательных успехов и 6 декабря 1941 г. сообщил, что в состоянии в течение одного часа выделить один микрограмм U-235, в значительной степени очищенный от U-238.
4.31. Еще до этого, на заседании Комитета по урану Смит (Принстон) поднял вопрос о возможном промышленном разделении изотопов электромагнитным способом; но ему возразили, что этот метод был исследован и признан неосуществимым. Несмотря на это, Смит и Лоуренс, случайно встретившись в октябре 1941 г., обсудили этот вопрос и пришли к выводу, что решение его все же возможно. Смит снова поднял этот вопрос 6 декабря, и на следующем заседании (18 декабря 1941 г.) имела место общая дискуссия по вопросу о промышленном применении электромагнитных способов в связи с упомянутым сообщением Лоуренса о достигнутых им успехах. Результаты этой дискуссии изложены в главе XI.
МЕТОД ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЯ И МЕТОД ГАЗОВОЙ ДИФФУЗИИ
4.32. Хотя мы выяснили, что отделение U-235 от U-238 было основным для успеха всего Проекта, мало было сказано о работах в этой области. Эти работы велись с лета 1940 г. под общим руководством Г.К. Юри в Колумбии. Так как реорганизация, происшедшая в декабре 1941 года, мало коснулась этой части работ по урану, то детальное описание работ отнесено к главам IX и Х. Здесь дается лишь краткий обзор.
4.33. После тщательного рассмотрения и значительного числа опытов, проведенных разными методами, было установлено, что самыми многообещающими методами выделения больших количеств U-235 из U-238 были методы центрифугирования и диффузии через пористые перегородки. В центрифуге на оба изотопа действуют несколько различные силы, благодаря разнице в их массах. По этой же причине скорости диффузии обоих изотопов сквозь пористые перегородки также различны. Оба метода требовали, чтобы уран находился в газообразном состоянии, что являлось серьезным ограничением, так как единственным подходящим газообразным соединением урана, известным в то время, был шестифтористый уран. В каждом методе величина ожидаемого обогащения была для одной «ступени» очень мала; это требовало большого числа ступеней для получения высокой степени обогащения.
4.34. К концу 1941 г. применимость каждого из указанных методов была доказана на опыте; обогащение U-235 в лабораторных масштабах было осуществлено в одноступенчатых установках примерно до такой степени, как предсказывает теория. К. Коген (Колумбийский университет) и др. разработали теорию одной ступени и серии, или «каскада», ступеней. Таким образом удалось оценить, что для диффузионной системы потребовалось бы около 5000 ступеней; общая площадь перегородок для разделительного завода, выделяющего 1 кг U-235 в сутки, составляла бы много акров. Соответствующие этим расчетам издержки исчислялись десятками миллионов долларов. Для центрифугирования число ступеней было бы меньше, но было оценено, что для той же производительности потребовалось бы 22 000 сверхбыстроходных центрифуг с индивидуальными приводами, при длине каждой центрифуги около трех футов.
4.35. Разумеется, издержки производства не могли быть точно рассчитаны, так как технологические проблемы почти не были решены, но эти сметы, касающиеся стоимости установки и ее размеров, нужны были для того, чтобы подчеркнуть масштабы всего предприятия.
ТЕРМОДИФФУЗИЯ В ЖИДКОСТЯХ
4.36. В сентябре 1940 г. П.Г. Абельсон представил на рассмотрение Бригсу записку на 17 страницах, в которой предлагалось разделение изотопов урана посредством термодиффузии в жидком шестифтористом уране. Проблемами урана интересовался также и Р. Гэн из Научно-исследовательской лаборатории военно-морского флота; он был назначен членом Комитета по урану, когда последний летом 1940 г. был реорганизован и передан НДРК (Исследовательский Комитет Национальной Обороны). В результате предложения Абельсона и заинтересованности Гэна, в Национальном Бюро Стандартов была начата работа по исследованию термодиффузии. Эта работа финансировалась Военно-морским министерством и в 1940 г. была передана Научно-исследовательской лаборатории военно-морского флота, где ее продолжали под руководством Абельсона.
4.37. Мы рассмотрим работы, по термодиффузии в одной из дальнейших глав; здесь же упомянем лишь о том, что к концу 1941 года были уже получены существенные результаты и что в январе 1942 г. на одной разделительной колонне был получен коэффициент разделения, оказавшийся сравнимым (или выше) с коэффициентом разделения, полученным к тому времени в предварительных испытаниях метода диффузии и метода центрифугирования.
ПРОИЗВОДСТВО ТЯЖЕЛОЙ ВОДЫ
4.38. В главе II было указано, что можно было ожидать, что дейтерий окажется хорошим замедлителем, благодаря своему свойству слабо поглощать и сильно замедлять нейтроны; но из-за недостатка дейтерия применение его было затруднено. Экспериментальные результаты, полученные в Беркли и показывавшие, что поперечное сечение поглощения нейтронов дейтерием фактически почти равно нулю, повысили интерес к дейтерию. Так как кислород обладает очень низким коэффициентом поглощения нейтронов, то считали, что дейтерий следует применять в комбинации с кислородом, т. е. в очень подходящем для этого веществе — тяжелой воде. Работы в Колумбии над возможными методами промышленного производства тяжелой воды были начаты в феврале 1941 г. под руководством Г.К. Юри (по контракту с НДРК). В начале 1941 г. Р.Г. Фаулер из Англии сообщил, что англичане интересуются дейтерием (тяжелой водой), как замедлителем, и, по их убеждению, цепная реакция может происходить в сравнительно малых установках с ураном и тяжелой водой.
4.39. Юри и А. фон Гроссе уже изучали вопрос о выделении тяжелой воды методом каталитической реакции обмена между газообразным водородом и жидкой водой. Этот процесс основан на том, что когда между газообразным водородом и водою устанавливается изотопное равновесие, концентрация дейтерия в воде в три-четыре раза больше, чем в газообразном водороде. В течение 1941 года реакция обмена между водой и водородом исследовалась в Колумбии и в химической лаборатории Фрика в Принстоне, и велись большие работы по созданию методов промышленного производства веществ, которые смогли бы играть роль катализаторов в этой реакции.
4.40. Дальнейшее развитие упомянутых работ и других методов производства тяжелой воды рассмотрено в главе IX. Подобно другим работам по разделению изотопов, проводившимся в Колумбии, реорганизация, имевшая место в декабре 1941 г., мало затронула эти работы. Они упомянуты здесь лишь для того, чтобы показать, что в 1941 г. исследовались уже все главные пути, ведущие к решению проблемы.
ПРОИЗВОДСТВО И АНАЛИЗ МАТЕРИАЛОВ
4.41. К концу 1941 года успехи в производстве материалов для установки цепной реакции были не очень велики. Национальное Бюро Стандартов и колумбийская группа находились в контакте с фирмой Metal Hydrides Co. в Беверли (штат Массачузетс). Эта фирма производила небольшие количества урана в порошке, но попытки увеличить продукцию и выплавить из порошка сплошные слитки оказались мало успешными.
4.42. Аналогично, не удалось получить в больших количествах графит высокой чистоты. Графит, применявшийся в Колумбийском университете, поставлялся фирмой U.S. Graphite Company в Сэджиноу (штат Мичиган). Он обладал высокой степенью чистоты для промышленного продукта, но в нем содержалась нежелательная примесь бора в количестве 1:500 000.
4.43. В значительной мере благодаря заинтересованности Алисона, была исследована возможность увеличения производства бериллия, причем было установлено, что оно было сложно к дорого, но, вероятно, возможно.
4.44. Хотя в области производства достижения были невелики, большие успехи были достигнуты в области анализа. На протяжении всей истории осуществления Проекта разработка достаточно точных методов химического анализа была проблемой первостепенного значения, хотя иногда она заслонялась внешне более эффектными проблемами. В течение этого периода главная ответственность за химические анализы лежала на К.Дж. Роддене и сотрудниках лаборатории Национального Бюро Стандартов; в работе принимал также участие Г.Т. Бинс из Колумбийского университета. К 1942 году несколько других групп приступили к аналитическим работам и с тех пор не прекращали своей деятельности.
4.45. Подводя итоги, можно сказать, что к концу 1941 года не было данных утверждать, что получение материалов в достаточных количествах и достаточной чистоты невозможно, но проблемы были еще далеки от решения.
ОБМЕН ИНФОРМАЦИЕЙ С АНГЛИЧАНАМИ
4.46. До осени 1941 г. происходил некоторый обмен информацией с англичанами и обсуждение некоторых вопросов с английскими научными представителями, бывшими здесь по другим делам. В сентябре 1941 г. было решено, что Пеграм и Юри должны поехать в Англию и получить сведения из первых рук. Они возвратились в начале декабря 1941 г.
4.47. Вообще, в Англии работа велась в основном по тем же направлениям, что и в США. Что касается проблемы цепной реакции, то англичане концентрировали внимание на тяжелой воде, а не графите, в качестве замедлителя. По разделению изотопов они проделали большую работу над вопросами диффузии, включая общую теорию каскадов. Главное значение этого посещения и других обменов мнениями в течение лета 1941 года заключалось не в точных научных данных, а в общем впечатлении о научных работах. Англичане, в частности Дж. Чэдвик, были убеждены, что можно осуществить цепную реакцию с U-235. Они знали, что в Норвегии производится каждые сутки несколько килограммов тяжелой воды и что германское правительство заказало большие количества парафина с тяжелым водородом; применение этого материала для чего-либо иного, кроме исследований урана, нельзя было себе представить. Англичане опасались, что если немцам удастся получить атомную бомбу раньше союзников, война может закончиться в несколько недель. Чувство срочности и важности задачи, которое осталось у Юри и Пеграма, имело большое значение для дальнейшей работы.
ДОКЛАД КОМИТЕТА НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК
4.48. В главе III упоминалось об учреждении Комитета Академии Наук. В первом докладе Комитета, в мае 1940 года, содержались такие вопросы: (a) радиоактивные отравляющие вещества, (b) атомная энергия, (c) атомные бомбы; но особое значение придавалось атомной энергии. Второй доклад подчеркнул важность новых результатов с плутонием, но не касался специально вопроса о возможном военном применении процесса деления ядра. Оба эти доклада побуждали значительно ускорить осуществление Проекта.
4.49. Третий доклад (6 ноября 1941 г.) был специально посвящен вопросу о «возможностях взрывной реакции деления урана-235». Если в первых двух докладах Академии Наук не указывалось, что уран может сыграть решающую роль в современной войне, то эта возможность была подчеркнута в третьем докладе. Лучше всего будет привести выдержки из этого доклада.
«Со времени нашего последнего доклада успехи, достигнутые в области разделения изотопов, с настоятельней необходимостью выдвинули следующие вопросы: (1) вероятность успеха попытки создания атомной бомбы, (2) разрушительное действие, которое можно ожидать от такой бомбы, (3) время, необходимое для того, чтобы закончить разработку атомной бомбы и наладить производство, и (4) предварительная оценка денежных затрат.
1. Условия создания атомной бомбы. Атомная бомба исключительной разрушительной силы явится результатом сближения достаточных масс элемента U-235, происходящего очень быстро. Это представляется столь же верным, как и всякое предсказание, основанное на теории и эксперименте, но не испытанное практически. Наши вычисления показывают, далее, что требуемые массы могут быть сближены достаточно быстро, чтобы реакция стала действенной…
2. Разрушительное действие атомных бомб. (а) Масса бомбы. Масса урана-235, необходимая для получения взрывного деления при подходящих условиях, едва ли может быть менее 2 кг и более 100 кг. Эти широкие пределы вызваны, главным образом, неопределенностью значения поперечного сечения захвата U-235 для быстрых нейтронов, получаемого из опытов… (b) Энергия, освобождаемая при взрывном делении. Вычисления для случая масс, надлежащим образом распределенных в начальный момент, показывают, что от 1 до 5 процентов энергии деления урана должны освободиться при взрыве, обусловленном делением. Это равно энергии от 2*108 до 10*108 ккал на килограмм урана-235. Таким образом, освобождающаяся при взрыве энергия на килограмм урана эквивалентна энергии взрыва около 800 тонн тринитротолуола.
3. Время, необходимое для разработки и получения необходимого количества U-235. (a) Необходимое количество урана. Так как разрушительная сила современных бомб является в настоящее время важным фактором военных действий, очевидно, что если разрушительную: силу бомб повысить в 10 000 раз, то такие бомбы приобретут решающее значение.
Тем не менее, требуемое количество урана будет велико. Если признать правильным расчет, согласно которому для уничтожения военных и промышленных объектов Германии понадобилось бы 500 000 т бомб из тринитротолуола, то такое же разрушительное действие произвел бы уран-235 в количестве от 1 до 10 тонн.
(b) Выделение U-235. Разделение изотопов урана может быть выполнено в нужных количествах. В настоящее время разрабатываются несколько методов, из которых по крайней мере два представляются вполне подходящими и приближаются к стадии практических испытаний. Это — метод центрифугирования и метод диффузии через пористые перегородки. Другие методы изучаются или нуждаются в исследовании; они могут оказаться в конечном счете лучшими, но пока далеки от технического применения.
(c) Время, необходимое для производства атомных бомб. В данный момент можно лишь весьма грубо оценить время, необходимое для разработки, технического освоения и производства атомных бомб. Однако, если сосредоточить все усилия да выполнении программы, то можно ожидать получения значительного количества атомных бомб через три-четыре года.
4. Грубая оценка материальных затрат. (Цифры, приведенные в докладе Академии под этим заголовком, являются лишь грубой оценкой, так как не было научных и технических данных. Они лишь показывали, что все предприятие обошлось бы колоссально дорого, но затраты были бы такого же порядка, как и другие военные расходы)».
4.50. Дальше в докладе говорится о ближайших нуждах и желательной реорганизации.