История науки Атомной эры

Олег Акимов

Манхэттенский проект

1 Сентября 1939 года фашистская Германия напала на Польшу. Правительство США начало интенсивно обсуждать политические меры в связи с тревожной международной обстановкой. Президент Фонда Карнеги (Carnegie Foundation), Ванневар Буш (Vannevar Bush) потребовал от правительства сосредоточить усилия ученых для победы над гитлеровской Германией. Он убедил ближайшего советника президента, Гарри Хопкинса (Harry Hopkins) создать Исследовательский комитет национальной обороны, который в июне 1940 года утвердил Рузвельт. Сначала комитет, который возглавил сам Буш, ставил перед собой задачи, далекие от урановой тематики, в частности, он занимался проблемой по разработке радаров. Но потом ситуация изменилась.

11 Октября 1940 года Сакс показал «письмо Эйнштейна» Рузвельту и рассказал о существовании в Колумбийском университете небольшой группы физиков, которая по своей инициативе занималась ядерной тематикой. Рузвельта мало заинтересовали эти физики и то, что они предлагали. Тем не менее, 19 октября Эйнштейн получил от президента ответное письмо, в котором говорилось, что создан Госкомитет по урану, куда включены Сцилард, Сакс и Лаймен Бриггс (Lyman Briggs), директор Национального бюро стандартов, которого Рузвельт уполномочил председательствовать, а также представителей от Армии и Флота США. Комитет распорядился выделить в феврале 1940 года Колумбийскому университету на приобретение урана и графита 6 тыс. долларов. Конечно, это была слишком маленькая сумма, чтобы можно было говорить о сколько-нибудь серьезной заинтересованности правительства Соединенных Штатов в разработке нового оружия. Но, похоже, Рузвельт просто проверял, насколько серьезны намерения физиков.

В 1939 году Ферми еще не верил в реальность атомной бомбы. Лаура Ферми в книге воспоминаний «Атомы в семье: Мая жизнь с Энрико Ферми» [Chicago University 1954, с. 164] приводит в этой связи фразу мужа: «мы преследовали химеру». Всё держалось на энтузиазме одного Сциларда, который внимательно следил, что делается в Германии и, особенно, в Институте Кайзера Вильгельма. Информация, идущая из его родного института была тревожной. В связи с этим 7 марта 1940 года он пишет еще одно «письмо Эйнштейна» Рузвельту, в котором сообщает: «С начала войны в Германии усилился интерес к урану. Сейчас я узнал, что в Германии в обстановке большой секретности проводятся исследовательские работы, в частности в Физическом институте, одном из филиалов Института Кайзера Вильгельма. Этот институт передан в ведение правительства, и в настоящее время группа физиков под руководством К. Ф. фон Вайцзеккера работает там над проблемами урана в сотрудничестве с Химическим институтом. Бывший директор института отстранен от руководства, очевидно, до окончания войны» [2, с. 32].

Дискуссия в Радиационной Лаборатории Университета Калифорнии в Беркли (UCB) в марте 1940 года по поводу 184-дюймого циклотрона. Присутствуют (слева направо): Эрнест Лоуренс (Ernest Lawrence), Артур Комптон (Arthur Compton), Ванневар Буш (Vannevar Bush), Джеймс Конант (James Conant), Карл Комптон (Karl Compton) и Альфред Люмис (Alfred Loomis).

Изначально Комитет Буша имел более широкие полномочия, чем Комитет Бриггса, который только контролировал работу физиков Колумбийского университета. Эрнест Лоуренс, занимающийся проблемами радаров, убедил Буша заняться также ураном. Он сказал, что усилий небольшой группы Сциларда–Ферми в этом направлении явно недостаточно, между тем успехи немецких физиков-ядерщиков вполне ощутимы. Таким образом, Лоуренс стал консультировать Буша и его первого помощника, Джеймса Конанта, по вопросам урана и играть роль связующего звена между комитетами Буша и Бриггса.

В мае 1940 года он также привлек к урановой проблеме главу Чикагского университета, Артура Комптона. Летом того же года активизировалась Национальная Академия Наук, где было создано соответствующее подразделение. Буш был вхож в Овальный кабинет Белого Дома, его комитет щедро финансировался из бюджета страны, так что Комитет Бриггса автоматически попал под его влияние. Однако Буш запретил иностранным гражданам участвовать в секретных государственных структурах. Сцилард был исключен из Комитета Бриггса, но получил деньги для продолжения работ по «укрощению» цепной реакции и разделению урановых изотопов.

Существует широко распространенное мнение, что «письма Эйнштейна Рузвельту», написанные Сцилардом, никакого воздействия на президента США не возымели. Об этом, в частности, писал такой авторитетный автор как У. Лоуренс [3]. Известно, что в начале 1940 года Комитет по урану рекомендовал не выделять денег на исследования, проводимые Сцилардом и Ферми. Однако авторы книги «А-бомба» с этим не согласны. Недоверие политиков к физикам было, была также бюрократическая волокита, но говорить, что Рузвельт не предпринимал никаких действий, нельзя. Перед войной правительства Германии, Великобритании и Советского Союза делали еще меньше, чем правительство Соединенных Штатов, которое всё-таки взяло курс на создание нового оружия. Рузвельт лишь усомнился в скором создании оружия и полезности проводимой физиками работы для текущего момента, но исследования он не закрывал и госкомиссию Бриггса, наблюдающую за ходом работ, не распускал.

Йорыш, Морохов и Иванов пишут: «С трудом убедив власти США, физики получили возможность в глубочайшей тайне вдали от войны работать над проблемой овладения энергией атомного ядра, над подготовкой ядерного реактора… Рузвельт направил генерала Э. Уотсона к директору Национального бюро стандартов Л. Бриггсу с указанием в кратчайший срок получить заключение о перспективе использования ядерных свойств урана.

Был создан Консультативный комитет по урану (Урановый комитет). В него вошли Л. Бриггс (председатель), два артиллерийских эксперта — капитан 3-го ранга Дж. Гувер и полковник К. Адамсон. Бриггс включил в комитет еще несколько человек, в том числе Ф. Молера, А. Сакса, Л. Сциларда, Э. Вагнера, Э. Теллера и Р. Робертса. Первое заседание комитета состоялось в октябре 1939 г. 1 ноября 1939 г. комитет представил президенту Рузвельту доклад, в котором говорилось о реальной возможности получения как атомной энергии, так и атомной бомбы.

О выделении первых субсидий (6 тыс. долл.) от армии и флота для закупки делящихся материалов Бриггс доложил генералу Э. Уотсону 20 февраля 1940 г. Следующее заседание Уранового комитета состоялось 28 апреля 1940 г. К тому времени ученые уже знали, что деление урана, вызываемое нейтронами, происходит только в уране-235. Кроме того, стало известно, что в Германии для исследований по урану используются ученые Физического института Общества Кайзера Вильгельма. Поэтому был поставлен вопрос о более эффективной поддержке работ и лучшей их организации.
<…>

15 июня 1940 г. специальная консультативная группа, созданная Бриггсом в Национальном бюро стандартов, обсудила общее состояние проблемы. Было высказано пожелание, чтобы Урановый комитет изыскал фонды для проведения исследовательских работ по урано-углеродной системе.

Гровс поздравляет Лоуренса с награждением Медалью за Доблесть

Вскоре был организован Исследовательский комитет национальной обороны (НДРК). Рузвельт дал указание о преобразовании Уранового комитета в подкомитет Исследовательского комитета национальной обороны. Председателем НДРК был назначен В. Буш, имевший большой опыт в организации науки.

В подкомитет вошли Бриггс (председатель), Пеграм, Юри, Бимс, Тьюв, Гэн и Брейт. Ученые иностранного происхождения были выведены из его состава. До лета 1941 г. он продолжал работать примерно в том же составе. По его требованию НДРК заключал контракты с научно-исследовательскими институтами. В течение зимы и весны 1940-1941 гг. и до ноября 1941 г. было заключено 16 контрактов на сумму 300 тыс. долл.

Летом 1941 г. подкомитет несколько расширился: в его составе были созданы подкомитеты по разделению изотопов, по теоретическим вопросам, вопросам производства энергии и тяжелой воды. С этого времени он стал называться Урановой секцией, или секцией S-1 НДРК.

Весной 1941 г. Бриггс, понимая необходимость объективной оценки проблемы, обратился к Бушу с просьбой об учреждении Обзорного комитета. Буш в официальном письме к президенту Национальной академии наук Ф. Джюитту предложил создать такой комитет. Комитет был создан. В его состав вошли А. Комптон (председатель), В. Кулидж, Э. Лоуренс, Дж. Слейтер, Дж. Ван-Флек и Б. Герарди. Этот комитет должен был оценить военное значение проблемы урана и определить размеры затрат, необходимых для исследования этой проблемы.

В результате обсуждений Национальной Академии наук были представлены доклады, на основании которых Буш пришел к выводу, что исследования урана необходимо проводить энергичнее. Буш передал все вопросы, связанные с формированием работ с ураном, па рассмотрение и решение Рузвельту.

Президент согласился, что необходимо расширить исследования, по-другому организовать их, изыскать средства из специального источника и осуществить обмен подробной информацией с англичанами. Было решено поручить обсуждение вопросов общей "урановой" политики Высшей политической группе в составе президента и вице-президента США, военного министра, начальника генерального штаба, В. Буша и Дж. Конанта» [2, с. 31–33].

7 Декабря 1941 года японская авиация нанесла сокрушительный удар по базе Пёрл-Харбор. Практически весь тихоокеанский флот США затонул. Тотчас же американцы поклялись отомстить японцам и начали думать, как можно было бы их наказать наиболее эффективным образом. Идея бомбежки городов Японии с воздуха возникла почти мгновенно. Вопрос состоял лишь в том, сколько обычных бомб надо высыпать на головы японцев, чтобы командование ВВС США успокоилось. В то время создание атомной бомбы было уже реальностью.

Весной 1942 года Артур Комптон впервые оценил величину критической массы урана-235; по его мнению, она лежала где-то в пределах от 2 до 100 килограммов, что было намного меньше ранее вычисленной. Стало понятно, что такой вес самолет может взять на борт. 9 Марта Буш информировал об этом Рузвельта и высказал предположение, что бомба может появиться уже в 1944 году, если действовать без промедления. Линия финансирования нового оружия, связанного с расщеплением урана, была открыта, хотя Манхэттенский проект (The Manhattan Project) — название правительственного проекта по созданию атомной бомбы — вступил в силу позднее, в августе 1942 года. Реальное финансирование началось еще позже.

16 Декабря 1942 года Комитет Буша выделил Лоуренсу 400 тыс. долларов. Только для разделения изотопов урана, по оценке Комитета Буша, требовалось 50 – 100 млн. долларов. Началась работа по налаживанию производства. Ответственными за нее Буш назначил Лоуренса и Комптона. Если Лоуренс действовал в лабораториях и на производственных площадках, то Комптон координировал университетские исследования, в частности, работу Сциларда и Ферми из Колумбийского университета, Вигнера из Принстонского университета, Оппенгеймера из Берклеевского университета и т.д. Сциларда он назначил ответственным за поставку в университеты всех необходимых материалов и, конкретно урана и графита для строительства первого реактора.

В середине лета 1942 года полковник Джеймс Маршалл (James Marshall) получил распоряжение приступить к строительству научно-технической и производственной базы для создания атомной бомбы. 17 Сентября генерал Лесли Гровс (Leslie Groves) возглавил Манхэттенский проект. Буквально на следующий день он распорядился о покупке в Ок-Ридже (Oak Ridge), Штат Теннеси, 90 квадратных миль (59 тыс. акров) земли под будущие производственные мощности и о завозе туда 1250 тонн конголезской урановой руды. Руда поступала также из Канады и Колорадо, единственного источника в США. За поставку руды отвечал Эгер Мерфри (Eger Murphree).

Электромагнитный завод Y-12, Ок-Ридж

По первоначальным планам необходимо было обустроить 13 тыс. человек. Летом 1943 года в Ок-Ридже проживало уже свыше 4 тыс. человек. По соображениям безопасности жилые помещения находились в нескольких милях от заводов. Наиболее крупными были Электромагнитный завод (Y-12), Газодиффузионный завод (K-25) и Тепловой завод (S-50), вырабатывающий пар для завода K-25. В январе 1943 года была определена площадка (Хэнфорд, штат Вашингтон) под Плутониевый завод (X-10), где располагались большие реакторы для получения оружейного плутония.

Размах строительства можно проиллюстрировать на примере Электромагнитного завода Y-12. Это предприятие предназначалось для получения урана-235 по методики Лоуренса. В главном цехе этого завода был установлен большой циклотрон Лоуренса размером с двухэтажный дом. Для создания внутри него сильного магнитного поля использовались катушки не с медными проводами, а серебряными. На них ушло 15 тыс. тонн серебряных слитков из Казначейства Соединенных Штатов.

Циклотрон Лоуренса, установленный в главном цехе завода Y-12

Еще не было до конца понятно, как будет протекать цепная реакция в условиях промышленного реактора, но Гровс уже провел все необходимые подготовительные работы; планировалось построить 23 завода различного назначения. Главная задача состояла в разработке технологии по разделению изотопов урана и переработки урана в оружейный плутоний. Гровс рассчитывал привлечь для ее решения гигантскую химическую корпорацию DuPont. Эта фирма имела свою лабораторию, укомплектованную квалифицированными кадрами. Однако большая часть научных исследований велась всё-таки в «Металлургической лаборатории» Комптона, а лаборатория DuPont разрабатывала производственные технологии.

Все действия генерала Гровса и его подчиненных согласовывались с правительственной комиссией в составе Конанта, Бриггса, Комптона, Лоуренса, Мефри и Урея. Комиссия лоббировала интересы, затрагиваемые Манхэттенским проектом, в правительстве, в котором никто не мог точно сказать, на что тратятся сумасшедшие деньги из бюджета США. Буш же осуществлял более сложную координацию между президентом, главами научных и военных ведомств. Напомним, что в высшую политическую группу (Top Policy Group), которая вместе с президентом вырабатывала стратегические решения в период Второй мировой войны, входили вице-президент Уотсон, министр Стимон и генерал Маршалл.

Газодиффузионный завод K-25, Ок-Ридж

Авторы книги «А-бомба» дали следующую характеристику Гровсу: «Он хорошо разбирался в строительных работах, промышленных проблемах, производственных графиках, финансовых вопросах, знал мир промышленных дельцов. Его крутой нрав был известен 30-тысячной армии мобилизованных рабочих — строителей армейских казарм и здания военного ведомства — Пентагона. Это был типичный представитель когорты "надзирателей в погонах", которых американское правительство наделяло чрезвычайными полномочиями и назначало на посты руководителей различных учреждений Манхэттенского проекта. Он не имел опыта общения с учеными, названными им в речи, с которой он выступил в Лос-Аламосе через несколько месяцев после назначения, "дороговатыми чокнутыми котелками"» [2, с. 35].

Бригадный генерал Лесли Гровс (Leslie Groves), 1896-1970

15 Октября 1942 года генерал Гровс предложил профессору Роберту Оппенгеймеру (Robert Oppenheimer) из университета в Беркли руководить научной частью Манхэттенского проекта. По характеру Оппенгеймер был полной противоположностью Гровса. Заместитель генерала, полковник Николс (Nichols), охарактеризовал своего начальника как человека безжалостного, самоуверенного, эгоцентричного и саркастического. Оппенгеймер, напротив, был человек мягкий, чувствительный, часто настроенный на философский лад, долгое время увлекался восточной мистикой. Когда 16 июля 1945 года прошло первое испытание ядерного взрыва он процитировал строчку из «Бхагавад-гита»: «Я стал смертью, разрушителем миров». Он заботился о быте ученых, создавал творческую атмосферу, внимательно выслушивал собеседника, говоря ему, что выполняемая им индивидуальная работа исключительно важна для успеха целого проекта. И действительно, успех Манхэттенского проекта во многом обеспечивался слаженной работой Гровса и Оппенгеймера. Удивительно, но эти два различных человека прониклись взаимной симпатией, уважением и никогда не ссорились.

Лесли Гровс и Роберт Оппенгеймер

Оппенгеймер родился 22 апреля 1904 года в Нью-Йорке. Но его отец, Юлиус Оппенгеймер, богатый торговец текстилем, и мать, Элла Фридман, художница, приехали из Германии. В этой еврейской семье не соблюдались иудейские традиции, родители отдали мальчика в Общую Школу Этической Культуры (Ethical Culture Society School), в которой, однако, была хорошая физическая лаборатория. После ее окончания Роберт поступил в Гарвард. В 1925 году переехал в Англию, чтобы пройти стажировку в Кавендишской Лаборатории у Дж. Дж. Томсона. В 1926 году Оппенгеймер уехал в Геттинген к Максу Борну изучать квантовую механику. Через год он вернулся в Гарвард, чтобы ликвидировать пробелы в математических знаниях. Сейчас он считается отцом-основателем американской школы теоретической физики. В ноябре 1940 года он женился на Кетрин Харрисон, студентки Берклеевского университета, придерживающейся леворадикальных взглядов.

Роберт Оппенгеймер (Robert Oppenheimer), 1904-1967

Осенью 1942 года Оппенгеймер начал работать в рамках Манхэттенского проекта. Вместе с генералом Гровсом он выбрал место для постройки главной лаборатории. Выбор пал на малонаселенную и труднодоступную местность, затерявшуюся среди каньонов Нью-Мексико, Лос-Аламос, который находится в 30 милях к северо-западу от Санта-Фе. Основная трудность состояла в том, чтобы уговорить видных ученых сорваться с насиженных мест и приехать в глушь, где надо было работать день и ночь, да еще под присмотром военных. Оппенгеймер разъяснял, что военные не будут вмешиваться в научно-исследовательскую работу, что их основная функция — обеспечение режима секретности и охраны. Проект имеет наивысший национальный приоритет, все работы будут вестись под непосредственным контролем президента. Он взывал к патриотическим чувствам ученых и обещал огромные оклады.

В течение первых трех месяцев он колесил по стране, побывав в университетах Калифорнии, Миннесоты, Чикаго, Принстона, Стэнфорда и других местах. В итоге, ему удалось мобилизовать большую группу первоклассных теоретиков: Феликс Блох (Felix Bloch), Ганс Бете (Hans Bethe), Эдвард Теллер (Edward Teller) и другие светила науки. Его правой рукой стал Джон Манлей (John Manley). Несмотря на то, что среди его подчиненных находились и Нобелевские лауреаты, он успешно справлялся с обязанностями руководителя. Незадолго до окончания работ он руководил коллективом из 3000 ученых, инженеров и рабочих. В Лос-Аламос прибыли не только ученые, специалисты и их семьи, но и новейшее оборудование. Туда везли ускорители Ван де Грофа и Кокрофта-Уолтона, циклотрон Лоуренса и другое современное оборудование.

Главные ворота Лос-Аламоса

Помимо отбора квалифицированного научно-технического контингента, на плечи Оппенгеймера легла сложная и ответственная задача по отбору наиболее эффективных решений предлагаемых отдельными группами ученых. Например, существовало четыре метода дифференциации изотопов урана. Влиятельный участник Манхэттенского проекта, Эрнест Лоуренс, лоббировал разработанный им электромагнитный метод. Оппенгеймеру стоило больших усилий отстоять более эффективный газодиффузионный метод, предложенный англичанами. Другой пример. Джеймс Конант выступил за накопление и использование урана-235, хотя объективно наиболее пригодным взрывчатым веществом был плутоний, получаемый из урана-238. Немало нервов потрепали друг другу физики пока, наконец, плутониевой технологии не зажгли зеленый свет.

Лос-Аламосская лаборатория имела четыре секции: теоретическую, возглавляемую Гансом Бете (Hans Bethe), экспериментальную, возглавляемую Робертом Батером (Robert Bather), химико-металлургическую, возглавляемую Джозефом Кеннеди (Joseph Kennedy), и артиллерийскую, возглавляемую морским офицером Уильямом Парсонсом (William Parsons). Оппенгеймер осуществлял координацию между этими секциями, а также урегулировал текущие вопросы, связанные с жалованием сотрудников, продвижением их по службе и пр.

После войны Оппенгеймера назначили председателем Общего Консультативного Комитета (General Advisory Committee) в Комиссии по Атомной Энергии (Atomic Energy Commission). В период с 1947 по 1952 год он выступал против работ по созданию водородной бомбы. В 1953 году его обвинили в симпатиях коммунистам. Несмотря на это тяжелое обвинение, Оппенгеймер до конца своих дней оставался на посту директора Принстонского Института Специальных Исследований (Princeton's Institute for Advanced Study), где работал Эйнштейн. Умер Оппенгеймер 18 февраля 1967 года.

Роберт Оппенгеймер

Однако вернемся к реализации Манхэттенского проекта. После успешного испытания экспериментального реактора Ферми, запущенного 2 декабря 1942 года, было принято решение о строительстве еще одного реактора в Аргонне (Argonne) со сложной системой охлаждения, состоящей из четырех подсистем, работающих на четырех хладагентах: гелии, тяжелой воде, висмуте и обычной воде, соответственно. Тяжелая вода играла также роль замедлителя цепной реакции. Гринвальд (Greenewalt) разрабатывал воздушную систему охлаждения, которую планировалось ввести для будущих реакторов, построенных в Хэнфорде.

Помимо охлаждения для реакторов, строящихся в Хэнфорде, существовала еще одна большая проблема. Дело в том, что плутониевый реактор излучал намного больше радиации, чем урановый. Эффективный отвод тепла и радиационная безопасность — две задачи, которые решаются взаимоисключающими приемами. Учитывая масштабное строительство плутониевых реакторов в Хэнфорде и Ок-Ридже, Комптон уже в июне 1942 года назначил Роберта Стоуна (Robert Stone) ответственным за разработку и реализацию программы по радиационной безопасности, которая потребовала больших капиталовложений.

Работы в Ок-Ридже по строительству Плутониевого завода X-10 начались в феврале 1943 года по чертежам, выполненным группой Купера (Cooper). Цех под экспериментальный плутониевый реактор со сложными системами охлаждения и радиационной безопасности планировалось возвести в течение весны и лета. Фирма DuPont все работы завершила вовремя. Первый плутониевый реактор (А) был запущен 4 ноября 1943 года, а первые образцы плутония получены в конце месяца. Постепенно в течение зимы Комптон с коллегами работал над повешением производительности экспериментального реактора и весной 1944 года плутоний был накоплен хотя и в недостаточном, но вполне в ощутимом количестве.

Строительство трех других плутониевых реакторов (B, D и F) началось в Хэнфорде практически одновременно с первым реактором (А) в Ок-Ридже, однако их строительство велось с отставанием, чтобы можно было учесть опыт строительства реактора А. Работы в Хэнфорде, возглавляемые полковник Маттиас (Matthias), начались с покупки 22 февраля 1943 года 500 тыс. акров земли. Местные жители, занимающиеся разведением овец, подали на полковника в суд, так как были не довольны денежной компенсацией за отнятые земли. Чтобы не затягивать судебные разбирательства, правительство выплатило крестьянам дополнительные деньги. Уже в марте на трех производственных площадках, расположенных в 10 милях от юного берега реки Колумбия, начались строительные работы. Летом 1943 года на эти площадки устремились тысячи чернорабочих со всей Америки. Сначала строительство жилья сильно запаздывало, поэтому в Хэнфорде возникли сотни палаточных городков. К осени палатки заменили дощатыми бараками. Через год Хэнфорд превратился в полноценный город, в котором проживало около 50 тыс. человек.

Плутониевый реактор D, Хэнфорд