Ядерная бомба

Во-вторых, массив урана должен быть достаточно большим, поскольку далеко не всегда нейтроны входили в первый же атом урана, к которому приближались. Хаотически двигаясь, они беспорядочно сталкивались с атомами урана и лишь в некоторых случаях действительно входили в ядро, вызывая выделение новых нейтронов. Наконец, они могли просто пройти сквозь уран, так и не совершив никакого полезного действия.

По мере увеличения массы урана все больше нейтронов вызывали деление ядер, соответственно создавалось все больше и больше нейтронов и возникала цепная реакция. Ее скорость возрастала, и при достижении некоторой критической массы цепная реакция становилась самоподдерживающей- ся и приобретала характер взрыва.

Выяснилось также, что для начала процесса вовсе не нужно было направлять в уран поток нейтронов. В 1941 году русский физик Георгий Николаевич Флёров (1913 — 1997) обнаружил, что внутри куска урана постоянно происходит спонтанное деление под действием свободных нейтронов. Время от времени произвольно колеблющиеся ядра разбиваются, также выделяя нейтроны.

В грамме урана «стихийное деление» происходит в среднем каждые две минуты. Следовательно, необходимо собрать достаточное количество урана, чтобы оно достигло опасной критической массы и взорвалось в считаные секунды, поскольку начавшие делиться первые ядра вызовут цепную реакцию.

Однако проведенные подсчеты показали, что для достижения критической величины требуется огромное количество урана. Вместе с тем выяснилось, что почти 99,3% природного урана составляет уран-238, в котором деления не происходит. Датский физик Нильс Бор теоретически доказал, что существует изотоп уран-235 (составляющий 0,7% его массы), который только и способен к делению.

В ходе экспериментов его предположение подтвердилось. Действительно, оказалось, что ядра урана-238 поглощают медленные нейтроны без деления и испускают бета-частицы, в результате чего образуются изотопы нептуния и плутония. В отличие от него уран-238 расщеплялся под воздействием нейтронов, в результате чего и возникала цепная реакция.

При увеличении содержания урана-235 и уменьшении массы урана-238 цепная реакция начинается легче и критическая масса может быть весьма незначительной. Следовательно, были предприняты многочисленные усилия, чтобы получить обогащенный уран, то есть разделить два изотопа и повысить концентрацию урана-235.

Конечно, ученые не хотели, чтобы во время экспериментов, связанных с ядерной реакцией, процесс вырвался из-под контроля, и произошел опасный взрыв. Прежде чем сконструировать бомбу, надо было тщательно изучить механизм действия цепной реакции. Можно ли было так провести ядерную реакцию, чтобы управлять количеством выделяемой энергии? Это позволило бы применить ее не только в военных, но и в мирных целях.

Намереваясь выяснить это, собрали определенное количество урана, достаточное для начала цепной реакции. Для управления ее интенсивностью использовали стержни из вещества, которое легко поглощало нейтроны и тем самым замедляло цепную реакцию. Для этой цели прекрасно подошел металл кадмий.

Затем оказалось, что образующиеся в результате такой реакции нейтроны обладают слишком высокой энергией и необычайно активны. Они слишком быстро разлетались в стороны, не успевая столкнуться с атомами урана. Чтобы вызвать цепную реакцию, которую можно было изучать, требовалось уменьшить их энергию, соответственно замедлив скорость движения. Лучшим средством было взаимодействие с какими-либо небольшими ядрами, которые не поглощали бы нейтроны, а только отбирали у них некоторую энергию при столкновении. Лучшими «замедлителями» оказались ядра водорода-2, бериллия-9 или углерода-12. Когда получавшиеся в ходе деления нейтроны замедлялись, их поток увеличивался, что приводило к дополнительному сокращению критической массы, необходимой для протекания реакции.

К концу 1942 года ученые, наконец, приблизились к завершающей стадии проекта. Реактор состоял из набора графитовых блоков, перемежавшихся блоками металлического урана и окиси урана (тогда еще не получили обогащенный уран), достаточного, чтобы достичь критической величины. Внутри графитовых слоев поместили кадмиевые стержни для поглощения нейтронов. Это знаменательное событие произошло под трибунами футбольного стадиона в Чикагском университете с участием Энрико Ферми (прибывшего в США в 1938 году), ответственного за мероприятие.

Вначале получившуюся огромную структуру назвали «атомной кучей», потому что блоки графита были скреплены вместе.

Лишь спустя некоторое время было принято называть подобное устройство «ядерным реактором».

2 декабря 1942 года на основании подсчетов стало ясно, что ядерный реактор оказался достаточной величины и содержащаяся в нем масса урана достигла критического состояния.

Во время эксперимента один за другим стержни кадмия стали удалять, выдвигая наружу. Количество атомов урана, претерпевавших деление, росло с каждой секундой, и, наконец, в 3 часа 45 минут деление урана стало самопроизвольным. Оно продолжалось само по себе, а ученые были готовы мгновенно вернуть кадмиевые стержни на место, если бы скорость реакции стала возрастать, но в этом не было никакой нужды, хотя расчеты показали, что не все обстоит именно так.

Артур Комптон (1892 — 1962) тут же позвонил в Белый дом и передал сообщение об успехе помощнику президента Джеймсу Коненту. Поскольку разговор велся по обычной линии, Комптон использовал эзопов язык. Он сказал: «Итальянский летчик приземлился в Новом Свете». Конент ответил: «Как отнеслись к этому событию местные жители?» И услышал в ответ: «Очень дружелюбно».

Именно в этот день наступил исторический момент, когда мир вступил в «ядерный век». Впервые человек сконструировал приспособление, с помощью которого была получена ядерная энергия, намного превосходившая все затраты. Человечество ухватилось за возможность использовать ядерную энергию и теперь собиралось ее применять. Если бы Резерфорду удалось прожить еще шесть лет, он смог бы увидеть, что ошибся в прогнозах, когда заявлял о том, что это событие никогда не случится. Однако человечество еще долго не знало о том, что происходит в Чикаго, и физики продолжали работать над созданием атомной бомбы.

Удачно завершились эксперименты по получению обогащенного урана. Его применение позволило настолько существенно снизить критическую массу, что стало реальностью создание небольшой по величине атомной бомбы, которую можно было разместить в самолете и направить на определенную цель.

Ее устройство не отличалось сложностью. Предположим, имелись два куска обогащенного урана, каждый из которых был меньше критической величины, но при их объединении количество урана превышало ее.

Предположим также, что с помощью специального взрывного устройства в определенный момент можно мгновенно со Цепная реакция деления урана: нейтрон ударяет ядро атома урана, вызвав его разделение на две части и образование тепловой энергии. Нейтроны, освобожденные из расцепившихся ядер, продолжают процесс деления

единить куски обогащенного урана воедино. Произойдет мгновенный взрыв разрушительной силы. В другом устройстве обогащенный уран расположили в виде нескольких небольших кусков, в каждом из которых не могла начаться цепная реакция. Соответствующим образом подготовленный взрыв спрессовывал уран в плотный шар. Тогда нейтронное поглощение оказывалось более продуктивным, и происходил взрыв.

Первое такое устройство было построено на полигоне близ поселка Аламогордо (штат Нью-Мексико) и размещено на небольшой башне. 16 июля 1945 года физики, находившиеся на безопасном расстоянии, привели в действие механизм, вызвавший ядерный взрыв. Устройство сработало превосходно, причем взрыв оказался необычайной разрушительной силы.

К тому времени нацистская Германия была повержена, но военные действия в Японии продолжались. Именно там использовали еще две атомные бомбы. После предупреждения одну бомбу мощностью 21 килотонна взорвали над японским городом Хиросима 6 августа 1945 года, а другую — над Нагасаки спустя два дня. Разрушения после взрывов были такими значительными, что их последствия сказываются до сих пор.

Именно после взрыва над Хиросимой мир узнал, что наступил ядерный век и су- шествует такое устрашающее оружие, как ядерная бомба (самым распространенным наименованием со временем стало «атомная бомба», или «А-бомба»),

Во время войны немецкие ученые также пытались создать атомную бомбу, но так и не смогли этого сделать. Если бы их работа увенчалась успехом, то, вполне возможно, Германия не потерпела бы поражения в войне.

С начала 1940-х годов над этой проблемой работали и советские ученые под руководством Игоря Васильевича Курчатова (1903—1960). Сложности военного времени, большие разрушения помешали советским ученым так же быстро продвинуться в решении задач, связанных с атомной бомбой, как это удалось сделать американским исследователям. В 1949 году советские ученые взорвали первую атомную бомбу, за ними последовали англичане (1952 год), французы и китайцы (1964 год), и, наконец, Индия взорвала свою бомбу в 1974 году. Однако все эти бомбы были взорваны на специальных полигонах в ходе плановых экспериментов, и только две взорванные над Хиросимой и Нагасаки использовались как реальное оружие массового уничтожения.

Чем больше времени проходило после взрывов в Хиросиме и Нагасаки, тем отчетливее все понимали, что ядерные бомбы могут применяться только как разру- шительное оружие. Слишком большую опасность для всего живого представляли последствия такого взрыва. Поэтому и приняли ряд договоров, запрещающих проведение испытаний ядерного оружия на земле, под водой и в воздухе. А в конце XX века ведущие ядерные державы объявили полный мораторий на проведение ядерных испытаний.