РАБОТА ЛАБОРАТОРИИ

РАБОТА ЛАБОРАТОРИИ

ВВЕДЕНИЕ

12.23. Весь научный персонал в Лос-Аламосе был разделен на 7 отделов, которые потом в разное время реорганизовывались. Весной 1945 года существовали следующие отделы:

1. теоретической физики, под руководством Г. Бете;

2. экспериментальной ядерной физики, под руководством Р.Р. Вильсона;

3. химии и металлургии, под руководством Дж. В. Кеннеди и К.С. Смита;

4. артиллерии, под руководством капитана В.С. Парсонса;

5. взрывчатых веществ, под руководством Г.Б. Кистяковского;

6. физики бомбы, под руководством Р.Ф. Бэчера;

7. перспективной разработки, под руководством Э. Ферми.

Все секции отчитывались перед И.Р. Оппенгеймером, директором Лос-Аламосской лаборатории, которому с декабря 1944 г. в координировании исследовательских работ стал помогать С.К. Алисон, Дж. Чэдвик (Англия) и Н. Бор (Дания) провели много времени в Лос-Аламосе и оказали неоценимую помощь. Чэдвик возглавлял английскую делегацию, которая существенно способствовала успеху лабораторий. Из соображений секретности большая часть работ лабораторий может быть описана лишь частично.

ОТДЕЛ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

12.24. Два обстоятельства придали необычайную важность работе отдела теоретической физики, руководимого Г. Бете. Первым из них была необходимость одновременного развертывания всех работ, начиная от основных материалов и кончая методом их использования — несмотря на фактическую недоступность главных материалов (U-235 и плутония) и полную новизну процессов. Вторым обстоятельством была невозможность производить атомные взрывы в малых масштабах (например, для экспериментальных целей), оперируя лишь с очень малыми количествами материала, способного к делению. Если его масса не превышает критической величины, то взрыва не происходит совсем. Таким образом для того, чтобы высказать суждения о том, что может произойти в бомбе, оставалось только исходить из данных эксперимента над бесконечно малыми количествами веществ и сочетать их сколь возможно точно с существующими теориями. Только таким путем и оказывалось возможным разумно планировать другие части Проекта и принимать решения по конструированию и постройке бомбы, не ожидая детальных экспериментов с большими количествами материала. Так, теоретическая работа была необходима для грубой оценки размеров орудия, для помощи металлургам в выборе вещества оболочки и для определения влияния чистоты испытывающего деление вещества на КПД бомбы.

12.25. Определение критических размеров бомбы было одной из главных задач отдела теоретической физики. С течением времени теоретические представления уточнялись, благодаря чему сказалось возможным учесть практически все сложные явления, связанные с взрывом атомной бомбы. Сперва, например, принималось, что диффузия нейтронов аналогична диффузии тепла, но эту наивную аналогию пришлось оставить. В первоначальной теоретической работе предполагалось также, что все нейтроны имеют одинаковую скорость и рассеиваются изотропно. Таким образом, был разработан метод, допускавший вычисление критических размеров для различных (геометрических) форм испытывающего деление материала в предположении, что средняя длина свободного пробега нейтрона в нем и в веществе оболочки одна и та же. Позднее этот метод был усовершенствован; были учтены законы распределения по углам при рассеянии нейтронов и различие средних свободных пробегов нейтронов в веществе сердечника и оболочке бомбы. Еще позднее были найдены средства учитывать влияние распределения скоростей нейтронов, изменения поперечных сечений со скоростью и неупругого рассеяния в веществе сердечника и оболочки. Таким путем оказалось возможным подсчитать критические размеры почти при любом материале оболочки.

12.26. Скорость, с которой плотность нейтронов убывает в веществе бомбы при размерах, меньших критических, может быть вычислена с учетом всех упомянутых выше обстоятельств. Скорость приближения к критическим условиям, когда снарядная часть бомбы движется по направлению к другой части бомбы (к мишени) также изучалась теоретическими методами. Кроме того, теоретическими изысканиями было найдено и наилучшее распределение испытывающего деление материала в снаряде и в мишени.

12.27. Была разработана техника обращения с установками, в которых число нейтронов столь мало, что необходимо было провести тщательный статистический анализ действия нейтронов. Важнейшей задачей в этом направлении было определение вероятности того, что блуждающий нейтрон начнет непрерывную цепную реакцию для бомбы величины больше критической. Задачей, родственной предыдущей, было определение величины флуктуации плотности нейтронов в бомбе, размеры которой в точности равны критическим. Летом 1945 года многие из таких вычислений были проверены на опыте.

12.28. Большая теоретическая работа была проведена по уравнению состояния вещества при высоких температурах и давлениях, которых можно было ожидать при взрыве атомных бомб. Было подсчитано расширение различных частей, составляющих бомбу во время и по окончании цепной реакции; довольно детально было исследовано и действие излучения.

12.29. Когда была вычислена энергия, освобождающаяся при взрыве атомной бомбы, естественно, возникло желание оценить ее боевую эффективность. Сюда входит анализ ударных волн в воздухе и в земле, определение эффективности детонации под поверхностью океана и т. д.

12.30. В дополнение ко всему этому теоретический отдел провел значительную работу по анализу результатов предварительных экспериментов. Был произведен анализ обратного рассеяния нейтронов различными веществами оболочки. Проанализированы были также результаты экспериментов по увеличению числа нейтронов в субкритических количествах испытывающего деления вещества.

ОТДЕЛ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

12.31. Эксперименты, выполненные группой экспериментальной ядерной физики в Лос-Аламосе, были двух родов: «дифференциальные» эксперименты, например, по определению поперечного сечения деления определенного изотопа нейтронами определенной скорости, и «интегральные» эксперименты, например, по определению среднего рассеяния нейтронов, получающихся при делении, тем или иным веществом оболочки.

12.32. Много ядерных постоянных уже было определено в Металлургической лаборатории Чикагского университета и в других местах, однако, некоторое число важных постоянных оставалось еще неопределенным, особенно тех, которые связаны с большими скоростями нейтронов. Некоторые из важнейших вопросов, подлежавших изучению, приводятся ниже:

1. Каковы поперечные сечения деления U-234, U-235, U-238, Pu-239 и т. д.? Как они меняются со скоростью нейтронов?

2. Каковы поперечные сечения упругого рассеяния для тех же ядер и ядер вещества оболочки? Как они меняются со скоростью нейтронов?

3. Каковы поперечные сечения неупругого рассеяния для перечисленных выше ядер?

4. Каковы поперечные сечения поглощения для процессов иных, чем деление?

5. Сколько нейтронов испускается на деление каждого из названных выше ядер?

6. Чем объяснить, что количество нейтронов, испускаемых на деление, не есть целое число?

7. Какова начальная энергия нейтронов, вылетающих при делении?

8. Меняется ли число или энергия таких нейтронов со скоростью падающих нейтронов?

9. Испускаются ли нейтроны при делении немедленно?

10. Какова вероятность спонтанного деления различных ядер, способных к делению?

12.33. В дополнение к попыткам найти ответы на эти вопросы, Лос-Аламосский отдел экспериментальной ядерной физики исследовал многие проблемы, представляющие большой научный интерес, которые, как ожидалось, играют существенную роль для атомной бомбы. Будет ли это так или нет, накопленный отделом запас знаний является неоценимым вкладом в общую проблему атомного ядра.

12.34. Экспериментальные методы. Предыдущие главы почти или совсем не содержат описания экспериментальных методов, за исключением методов наблюдения быстрых заряженных частиц (см. Приложение 1). Для того, чтобы получить ответы на поставленные выше десять вопросов, мы должны иметь возможность:

1. определять число нейтронов любой заданной энергии;

2. получать нейтроны любой требуемой энергии;

3. определять углы отклонения рассеиваемых нейтронов;

4. определять число происходящих делений;

5. обнаруживать другие следствия поглощения нейтронов, например, искусственную радиоактивность.

Укажем вкратце, как осуществляются такие наблюдения.

12.35. Обнаружение нейтронов. Существуют три явления, при помощи которых можно обнаружить нейтроны:

1. ионизация, производимая ядрами легких атомов, приведенных в очень быстрое движение упругими соударениями с нейтронами;

2. радиоактивный распад неустойчивых ядер, образовавшихся в результате поглощения нейтронов;

3. деление в результате поглощения нейтронов.

Все три процесса приводят к образованию ионов, причем эта ионизация может быть обнаружена электроскопами, ионизационными камерами, счетчиками Гейгера-Мюллера, камерами Вильсона, следами в фотографической эмульсии и т. д.

12.36. Обнаружение нейтронов является делом нетрудным, измерение же их скоростей представляет значительно более сложную задачу. Метод камеры Вильсона и метод фотографической эмульсии приводят к наиболее непосредственным результатам, но их применение требует большого труда. Гораздо чаще применяются методы селективного поглощения. Если пленку из вещества, способного поглощать нейтроны с энергиями лишь одного определенного интервала, поместить на пути нейтронов и затем ее удалить, то степень радиоактивности пленки будет пропорциональна числу нейтронов с энергиями, заключающимися внутри этого интервала. Можно также изучать индуцированную радиоактивность, относительно которой известно, что она вызвана нейтронами, энергия которых лежит выше определенного порога.

12.37. Остроумной схемой изучения действия нейтронов с какой-либо одной произвольно выбранной скоростью является метод «времени полета». В этом методе источник нейтронов модулируется, т. е. устроен так, что эмиссия нейтронов происходит короткими «вспышками» или «импульсами». Каждый импульс содержит весьма большое количество нейтронов с очень широким диапазоном скоростей. Мишень и детектор расположены на значительном расстоянии от источника, в нескольких футах или ярдах от него. Детектор также «модулируется» с той же периодичностью, но со сдвигом фаз. Регулировка фаз производится так, что детектор реагирует лишь в течение короткого интервала времени, начинающегося спустя некоторое время после того, как пучок нейтронов покинул источник. Таким образом, любое действие, отмечаемое детектором (например, деление в слое урана, нанесенном на внутренней поверхности ионизационной камеры), производится лишь теми нейтронами, которые достигают детектора в точности к начальному моменту его работы и поэтому проходят весь путь от источника за определенный промежуток времени. Измеренные эффекты, таким образом, будут обусловлены нейтронами, обладающими одной определенной скоростью.

12.38. Получение нейтронов. Все нейтроны получаются в результате ядерных реакций, и их начальная скорость зависит от баланса энергии. Если реакция эндотермична, т. е. если общая масса результирующих частиц больше массы исходных частиц, то реакция произойдет только в том случае, если бомбардирующие частицы обладают кинетической энергией, большей «пороговой энергии». При более высокой энергии бомбардировки, кинетическая энергия результирующих частиц, и в частности нейтронов, возрастает с повышением кинетической энергии бомбардирующих частиц над пороговым значением. Реакция Li⁷(p, n)Be⁷ поглощает 1, 6 MeV энергии, так как образующиеся частицы тяжелее исходных. Любая добавочная энергия падающих протонов переходит в кинетическую энергию продуктов реакции, так что максимальная скорость образовавшихся нейтронов повышается со скоростью падающих протонов. Для того, чтобы получить нейтроны с узким интервалом скоростей, нужно брать мишень малой толщины; протоны должны ударяться в мишень с одной и той же скоростью, а нейтроны необходимо наблюдать под определенным углом к пути падающих протонов.

12.39. Хотя к экзотермическим ядерным реакциям прилагаются те же законы сохранения энергии и количества движения, но выделяющаяся энергия обычно велика по сравнению с кинетической энергией бомбардирующих частиц и поэтому именно она определяет скорость нейтронов. Часто в одной и той же реакции получаются нейтроны разных энергий. Существуют реакции, дающие нейтроны с весьма большой энергией (близкой к 15 MeV).

12.40. Так как лишь небольшое число ядерных реакций применимо в качестве источника нейтронов, можно получить только определенные интервалы нейтронных скоростей. Не представляет никаких затруднений замедлить движение нейтронов, но невозможно сделать это замедление однородным, не расширяя интервала скоростей первоначальных нейтронов. Наиболее эффективным способом уменьшения скоростей нейтронов является применение замедлителя, как в случае графитового котла; этот котел сам по себе является превосходным источником тепловых или почти тепловых нейтронов с весьма малыми скоростями.

12.41. Определение углов отклонения. Трудности при измерении углов отклонения нейтронов в основном связаны с малой интенсивностью и ненадежностью интерпретации результатов опыта. Число нейтронов, рассеянных в каком-либо определенном направлении, может быть относительно мало, и «рассеянные» нейтроны почти всегда включают в себя много блуждающих нейтронов, возникающих при отражении от посторонних предметов.

12.42. Определение числа делений. Определение числа делений, производимых нейтронами или возникающих самопроизвольно, производится относительно просто. Здесь можно применять ионизационные камеры, счетчики и другие детекторы.

12.43. Обнаружение продуктов захвата нейтронов. Часто бывает желательно выяснить в деталях, что происходит с нейтронами, которые поглощаются, но не вызывают деления; примером может служить резонансный, или «радиационный» захват нейтронов ураном-238, превращающимся в U-239 и затем в плутоний. Подобные исследования обычно сводятся к микрохимическому разделению и изучению радиоактивности.

12.44. Некоторые эксперименты по определению ядерных постоянных. Ко времени постройки лаборатории в Лос-Аламосе была уже проведена большая работа по изучению взаимодействия медленных нейтронов с веществом. Так, было определено поперечное сечение деления обычного урана тепловыми нейтронами; такие же определения были сделаны и для отдельных изотопов урана и плутония. Были опубликованы данные по поперечным сечениям деления быстрыми нейтронами, а в лабораториях Проекта можно было получить и дополнительные сведения. Для расширения и уточнения всех этих данных в Лос-Аламосе применили генератор Ван-де-Граафа и, пользуясь реакцией Li⁷(p, n)Be⁷, получали нейтроны любой энергии в пределах от 3 000 eV до 2 000 000 eV. Был достигнут успех в модулировании циклотронного пучка и в разработке метода «времени полета» нейтронов для быстрого получения эффекта от многих интервалов скоростей. Были разработаны специальные методы для заполнения пробелов в энергетическом спектре нейтронов. Особенно важным были те уточнения, которые оказались возможными, когда U-235, U-238 и плутоний стали получаться в больших количествах. Для этих веществ были надежно определены значения поперечных сечений деления, в зависимости от энергии нейтрона, в интервале от нуля до 3 000 000 eV.

12.45. Некоторые «интегральные» эксперименты. Можно описать два «интегральные» эксперимента, т. е. эксперименты над собранными в одно целое системами, содержащими испытывающий деление материал, отражатель и замедлитель. В первом из них была изучена система, содержавшая сравнительно большое количество U-235 в жидком растворе. Установка была рассчитана на работу при весьма малой мощности, поэтому охлаждения не было. Целью опыта была проверка явлений, предсказанных для систем, содержащих обогащенный U-235. Результаты опыта оказались близкими к ожидавшимся.

12.46. Второй интегральный эксперимент был произведен с котлом, содержавшим смесь урана и водородного замедлителя. В своей первоначальной форме установка представляла собою котел с цепной реакцией на медленных нейтронах. Затем котел был реконструирован с применением меньшего количества водорода. В этом варианте котла получило важное значение деление на быстрых нейтронах. Котел перестраивался еще несколько раз, причем всякий раз применялось все меньше водорода. Ряд таких реконструкций последовательно изменял характер реакции так, что деление на тепловых нейтронах играло все меньшую и меньшую роль, в то время как все большее значение приобретало деление на быстрых нейтронах, что приближало условия эксперимента к условиям, имеющим место в бомбе.

12.47. Сводка результатов экспериментов по ядерной физике. С приличной степенью точности были определены ядерные постоянные U-235, U-238 и плутония в диапазоне энергии нейтронов от тепловых до 3 000 000 еV. На вопросы 1, 2, 3, 4 и 5, из числа поставленных в начале настоящего раздела, ответы были получены. Спектр деления (вопрос 7) для U-235 и Pu-239 довольно хорошо известен. Спонтанное деление (вопрос 10) было изучено для нескольких типов ядер. Были получены также предварительные результаты по вопросам 6, 8 и 9.

ОТДЕЛ ХИМИИ И МЕТАЛЛУРГИИ

12.48. Отделом химии и металлургии в Лос-Аламосской лаборатории руководили совместно Дж. В. Кеннеди и К.С. Смит. На ответственности отдела лежала окончательная очистка обогащенных материалов для деления, производство сердечника бомбы, оболочки и пр., а также ряд других вопросов. Во всей работе отдела над обогащенными способными к делению материалами должны были приниматься особые меры предосторожности, чтобы не терялись сколько-нибудь заметные количества материалов, которые были много дороже золота. Таким образом, приемы очистки и обращения с обычным ураном, которые были уже твердо установлены в Чикаго и в других местах, здесь часто оказывались недостаточными при манипуляциях с высоко обогащенными образцами U-235.

ОТДЕЛЫ АРТИЛЛЕРИИ, ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ И ФИЗИКИ БОМБЫ

12.49. Вышеприведенный отчет о работе отделов теоретической физики, экспериментальной ядерной физики, химии и металлургии очень неполон, так как многие важные стороны этой работы не могут обсуждаться из соображений секретности. По этим же причинам ни одна из работ отделов артиллерии, взрывчатых веществ и физики бомбы не может обсуждаться вовсе.