Фиаско Черчилля
В течение первых пяти месяцев 1942 года английские и американские физики вели свои атомные проекты параллельно, время от времени обмениваясь информацией и нанося "визиты вежливости" друг к другу. В июне союзные лидеры наконец решили, что "супербомбу" следует делать в США, опираясь на ресурсы обеих стран.
Обстоятельства, при которых было принято это важное решение, изложены Уинстоном Черчиллем в его фундаментальном труде "Вторая мировая война", в котором он описывает встречу с Франклином Рузвельтом 20 июня. Присутствовал также Гарри Гопкинс, помогавший впоследствии Черчиллю восстановить смысл исторического разговора. Черчилль свидетельствовал:
Я был твердо убежден в необходимости сразу же объединить все наши сведения и работу продолжать на равных началах, разделив ее плоды, какими бы они ни были, поровну между нами. Затем был поднят вопрос относительно того, где следовало создавать исследовательские организации. Мы были уже осведомлены о чудовищных расходах, которые надо было сделать, отвлекая ресурсы всякого рода, в том числе и умственную энергию, от остальных военных нужд. Учитывая, что Великобритания находилась в зоне бомбежек и непрерывной воздушной разведки противника, казалось невозможным построить на нашем острове огромные, бросающиеся в глаза заводы, необходимые для решения задачи. Мы представляли себе, насколько далеко продвинулся наш союзник, и, конечно, его следовало предпочесть Канаде, которая и так внесла свой важный вклад в дело снабжения ураном. Это было очень трудным решением: направить несколько сот миллионов фунтов стерлингов в проект, успех которого ни один ученый на любой стороне Атлантики не брался гарантировать. Тем не менее если бы американцы не пожелали участвовать в этом рискованном предприятии, то мы совершенно определенно должны были бы собственными силами продвигаться вперед в Канаде или, если канадское правительство будет возражать, в любой другой части империи. Однако я был очень рад, когда президент сказал, что Соединенные Штаты, по его мнению, должны это сделать. Поэтому мы приняли совместное решение и определили основу соглашения. У меня не было сомнений, что сделанное нами в Британии являлось действительным прогрессом, и именно уверенность наших ученых в конечном успехе дала президенту возможность принять это важное и роковое решение.
Однако к началу 1943 года принцип равноправного партнерства нарушился столь решительно, что даже Черчилль был вынужден протестовать. 16 февраля Гарри Гопкинс получил от него следующую телеграмму: "Я был бы очень признателен за какие-нибудь новости <…>, поскольку в настоящее время американское военное ведомство просит нас информировать его о наших экспериментах и в то же время отказывает нам в любой информации об их работах". Гопкинс в ответ попросил прислать ему копию стенограмм соответствующих переговоров или памятные записки, которые, по его словам, "выявили бы характер недоразумения".
Впрочем, не стоит приписывать возникшее "недоразумение" целиком американскому коварству. Во многом оно было обязано своим происхождением армейскому представлению о безопасности, которого придерживался генерал Лесли Гровс. Кроме того, у американцев возникали подозрения, что англичане, предоставив США расходовать колоссальные ресурсы на изготовление атомной бомбы, могли направить собственные усилия на создание ядерного реактора, с помощью которого Великобритания могла бы стать ведущей энергетической державой послевоенного мира.
Уинстон Черчилль не успокоился и обсудил возникшую проблему непосредственно с Франклином Рузвельтом сразу после завершения двухнедельной Третьей Вашингтонской конференции, состоявшейся в мае. Президент лично гарантировал британскому премьеру, что обмен информацией с "Трубными сплавами" будет возобновлен.
Тем не менее взаимные подозрения только обострились. Такое положение вещей не могло сохраняться долго. Кто-то должен был уступить. И в конечном итоге уступила Великобритания. Соглашение, подписанное Рузвельтом и Черчиллем на первой Квебекской конференции в августе 1943 года, положило конец независимости английского атомного проекта.
В соглашении не было ни слова о ранних британских работах над бомбой. Но при этом в нем отмечались большие расходы, в которые вовлекались США. В связи с этим было оговорено, что "любые послевоенные преимущества промышленного или коммерческого характера будут распределяться между Соединенными Штатами и Великобританией на условиях, изложенных президентом Соединенных Штатов премьер-министру Великобритании". Были и другие статьи соглашения: например, о том, что ни одна из сторон не использует бомбу против другой или против любой третьей без взаимного согласия. Было также решено производить обмен информацией между британскими и американскими учеными, работающими в одних и тех же областях.
Почему Черчилль подписал столь унизительный для Великобритании пакт, легко объяснить, взглянув на геополитическую ситуацию того времени. Во-первых, Британия, ослабленная четырьмя годами войны, в принципе не могла торговаться. Во-вторых, Черчилль полностью доверял президенту Рузвельту, что подтверждает его переписка и взаимные инициативы. В-третьих, подписывая соглашение в августе 1943 года, ни Черчилль, ни Рузвельт не сознавали того, как изменится мир, в котором появится атомное оружие.
Способы, которыми должны были осуществляться "ядерные взаимоотношения" между США и Великобританией, оставались не определены, и дискуссии даже после заключения этого секретного соглашения продолжались. Адмирал Уильям Лэги, начальник штаба при президенте Рузвельте, писал по этому поводу:
Во время длительного обсуждения политических и военных вопросов, главным образом касавшихся в высшей степени секретного проекта, носившего название "Трубные сплавы", решалось: будем мы или не будем предоставлять англичанам всю информацию, которую они хотели иметь относительно получения и использования атомной энергии для военных целей.
Мнение президента было таково, что атомные военные секреты не следовало бы сообщать даже союзникам. Но так как англичане сделали свой вклад в атомные экспериментальные работы и продолжали работать в этом направлении, то Рузвельт думал, что секретными данными следовало делиться в той части, которая относилась к промышленному применению. Президент питал большие надежды на то, что после войны будет успешно расширяться научное и промышленное применение атомной энергии. Он принимал на себя ответственность за риск вложения огромных сумм денег, которые в конечном счете составили более двух миллиардов долларов, в работы с атомными экспериментами. <…> В моем присутствии совершенно определенно установили, что Соединенные Штаты, Канада и Британия будут на равных правах участвовать в промышленном использовании атомной энергии. Насколько я знаю, не было никакого соглашения о совместном использовании ее для военных целей. После этого сообщалось, что Рузвельт якобы согласился поделиться с Британией секретами бомбы. Но такого соглашения на данной конференции не было достигнуто.
Каковы бы ни были толкования квебекского соглашения, подписание Рузвельтом и Черчиллем этого документа фактически закрывало британский атомный проект.
В течение осени 1943 года почти все ядерные физики, работавшие в Англии, перебрались в США. Многие из них отплывали из Ливерпуля на пароходе "Эндис". Из-за путаницы случилось так, что не оказалось машин для перевозки их самих и багажа из отеля в порт. В последний момент руководство сумело мобилизовать у частных предпринимателей нужное количество похоронных автомашин. И на этих машинах ученых вместе с багажом доставили на пароход. Куда уж символичнее?
Лаборатория Лос-Аламоса
Роберт Оппенгеймер приступил к руководству лабораторией в Лос-Аламосе очень неуверенно. Казалось, скептики, утверждавшие, что он даже гамбургер продать не сможет, были правы.
В течение первых нескольких месяцев строительство шло в полном беспорядке. Если не считать умения договариваться с военными, у Оппенгеймера не получалось сделать из лаборатории организованную структуру. В представлении Оппенгеймера все выглядело просто: тридцать физиков направляются в Нью-Мексико, чтобы сконструировать атомную бомбу. Столкнувшись с хаосом уже на прощальном ужине у себя дома, Оппенгеймер пришел в ярость. Но после вспышки гнева приступил к спокойному анализу. Учился он быстро. К марту 1943 года Оппенгеймер составил организационную схему нового комплекса и продумал, сколько действительно сотрудников понадобится в Лос-Аламосе (отказалось, что от 100 до 1500!), и взял наконец на себя административный контроль.
В начале апреля на Холме – так стали называть лабораторию Лос-Аламоса и ее окрестности – собралось первые физики. Оппенгеймер не терял времени и быстро завербовал "светил", с которыми работал в прошлом году. Среди них были немец Ханс Бете, швейцарец Феликс Блох, венгр Эдвард Теллер, американцы Роберт Сербер и Ричард Фейнман. Кроме того, Оппенгеймер желал видеть под своим руководством Энрико Ферми. Но труд над ураново-графитовым реактором в Чикаго был для итальянца слишком важным, чтобы отказаться от него и переехать в Лос-Аламос. В итоге ученые достигли компромисса: Ферми работает в качестве удаленного консультанта и при необходимости приезжает в Лос-Аламос.
Оппенгеймер хотел назначить своим заместителем Исидора Раби, но тот занимался радаром и считал решение этой военной задачи более важным, чем попытки построить оружие массового поражения на новых физических принципах. Впрочем, Оппенгеймеру и его удалось убедить стать консультантом Лос-Аламоса.
15 апреля 1943 года в пустой местной библиотеке состоялось первое собрание физиков Лос-Аламоса, и Роберт Сербер прочитал вступительную лекцию. Генерал Лесли Гровс сделал при этом несколько пессимистических замечаний. Казалось, он готовится к провалу проекта и подумывает, что скажет на заседании Комиссии по атомной энергии Конгресса, которое обязательно состоится и на котором обязательно выяснят, на что Гровс растратил колоссальные деньги.
После этого Сербер прочитал первый доклад, составленный по результатам работ за последний год в области деления ядер быстрыми нейтронами. Сербер слыл не самым лучшим оратором, но в данном случае содержание было гораздо важнее формы. "Цель проекта, – говорил Сербер, – создание реального боевого оружия в форме бомбы, энергия в которой высвобождается в результате цепной реакции на быстрых нейтронах в одном или более веществах, характеризующихся атомным распадом". На лекции выяснилось, что многие присутствующие ученые из-за секретности, окружавшей проект, не имеют целостного представления о том, чем им предстоит заниматься. Одни догадывались о деталях. Другие только о чем-то слышали. Теперь всем им предстояло подготовиться к решению гораздо более масштабной задачи.
На первый взгляд казалось, что сконструировать атомную бомбу достаточно просто. Берутся два куска урана-235 или плутония докритической массы так, чтобы вместе они составили массу значительно выше критической. При получении такой суммарной массы происходит взрыв. Но перед тем как это случится, необходимо решить довольно сложные проблемы.
Главная проблема связана с эффективностью. Необходимая критическая масса урана-235 оценивалась в 200 килограммов – многовато для устройства, которое предстояло сбросить с бомбардировщика. Исследователи предложили увеличить эффективность бомбы, уменьшив массу активного вещества, для чего его предлагалось заключить в "отражатель нейтронов" – оболочку из урана-238 или золота, которая позволила бы возвращать вылетающие нейтроны обратно в активное вещество. В случае с ураном-235 такой отражатель позволит снизить критическую массу примерно до 15 килограммов. Для плутония, заключенного в отражатель из урана-238, критическая масса составит всего 5 килограммов.
Однако критическая масса – это минимум, при котором возникает цепная ядерная реакция, а для боевой бомбы активного вещества потребуется значительно больше. Было ясно, что это количество превысит критическую массу, и его стали называть "сверхкритической массой". При соединении докритических элементов в сверхкритическую массу будет запущена разветвленная (дивергентная) цепная реакция, при которой свободных нейтронов будет производиться больше, чем поглощаться. При этом очень важно было рассчитать время. Вычисления показывали, что один килограмм урана-235 распадется за миллионную долю секунды, энергия взрыва составит 20 000 тонн в тротиловом эквиваленте, а вызванная взрывом начальная температура намного превысит солнечную. При такой температуре уран сразу же испарится, газообразное вещество быстро рассеется, из-за чего будет все сложнее поддерживать цепную реакцию. В определенный момент пар достигнет "вторичной критической точки": количество нейтронов, высвобождаемых в результате распада, сравняется с количеством нейтронов, покидающих зону реакции, – детонация и взрывное высвобождение энергии завершатся. Получается, что, если компоненты соединятся слишком медленно и сверхкритическая масса взорвется преждевременно (и тут же разлетится в разные стороны), взрыв получится значительно слабее, чем планируется. Одно из решений этой проблемы заключалось в следующем. Цилиндрической пробкой из активного вещества (ее окрестили "затравкой") нужно выстрелить в сферу, имеющую докритическую массу. Таким образом, их суммарная масса превзойдет критическую. Следуя терминологии британских физиков из "Трубных сплавов", такой метод получения сверхкритической массы назвали "пушечным".
На ранних этапах конструирования бомбы пришлось столкнуться с еще одной неясностью. Куски активного вещества должны соединиться достаточно быстро, чтобы не произошло преждевременной детонации. Относительная скорость элементов при этом должна была составлять около 10 000 м/с или более. Максимальная начальная скорость снарядов в неядерных видах оружия составляла около 9600 м/с при весе снаряда 22,5 килограмма. Такими показателями обладала пушка, стоявшая на вооружении армии США, с калибром 120 миллиметров, длиной ствола 6,4 метра, весом 5 тонн. Если предположить, что "затравка" с ураном-235 должна быть в два раза тяжелее снаряда, соответственно, нужна и более тяжелая пушка. "Стрелять" бомбой, начиненной ураном-235, предстояло из пушки, которая весит 10 тонн!
Далее встал вопрос об инициирующем заряде для бомбы. Нельзя было с уверенностью утверждать, что простая сборка компонентов в единый кусок со сверхкритической массой приведет к цепной реакции. Для ее запуска в веществе должны появиться подходящие нейтроны, причем в подходящий момент. Роберт Сербер предлагал использовать в качестве инициирующего заряда небольшое количество бериллия и полония. Как мы помним, полоний радиоактивен, он излучает альфа-частицы, которые могут высвобождать нейтроны бериллия. Этот метод получения свободных нейтронов для бомбардировки ядер использовался задолго до создания первого циклотрона. Идея Сербера заключалась в том, чтобы изолировать полоний и бериллий друг от друга специальным экраном до того момента, пока не выстрелит "затравка". "Пушечный" выстрел должен смешать оба компонента инициирующего заряда, вызвав резкий выброс нейтронов как раз в момент достижения сверхкритической массы.
Несмотря на всю простоту "пушечного" метода, Роберт Сербер рассматривал и альтернативный, более замысловатый, способ сборки критической массы. "Допустим, – говорил Сербер, – мы расположим фрагменты по кольцу. <…> Если взрывчатое вещество распределится по кольцу, те фрагменты, в которых начнется реакция, станут слетаться к центру кольца, образуя сферу". Сербер сделал набросок, показав, как будут расположены клинья из активного вещества и отражатели нейтронов. Если эти клинья под действием инициирующего заряда слетятся к центру кольца, то вместе они создадут сверхкритическую массу.
Следующую лекцию читал специалист по баллистике, и на ней слово попросил Сет Неддермейер, молодой физик из Национального бюро стандартов США. Он предложил еще один способ собрать массу активного вещества в сверхкритическую за счет "имплозии". Его идея заключалась в том, чтобы сконструировать полую сферу из отдельных элементов активного вещества, а затем "схлопнуть" их к центру сферы силой взрыва обычных взрывчатых веществ (сферу нужно предварительно ими обложить). "Схлопывание" сферы внутрь себя позволит собрать сверхкритическую массу ядерного горючего исключительно быстро.
Предложение Сета Неддермейера тут же раскритиковали. Самый серьезный контраргумент звучал так: чтобы взрывная масса активного вещества собралась в правильную сферу, обычная взрывчатка должна давать ударную волну практически идеальной сферической формы. Сам Роберт Оппенгеймер критически отнесся к этой идее. Однако ему и раньше приходилось ошибаться. После лекции он поговорил с Неддермейером и согласился, что предложенный молодым физиком вариант нужно хотя бы теоретически исследовать. Оппенгеймер организовал в артиллерийско-техническом отделе специальную группу, которой поручил обдумать предложенную схему, и назначил Неддермейера ее руководителем.
Роберт Сербер завершил свою лекцию, сформулировав задачу, которую предстояло решить:
Из предыдущего обзора мы видим, что проблемы, требующие преодоления в настоящий момент, тесно связаны с измерением свойств нейтронов в различных веществах, а также с баллистикой. Кроме того, мы должны начать разработку технологий по экспериментальному определению критической массы и по расчету времени, оперируя при этом большими, но докритическими объемами активного вещества.
Любые предположения, что может произойти, если такое оружие действительно будет применено, отошли на задний план. Физики сосредоточились только на тех задачах, которые стояли перед ними здесь и сейчас: нейтроны, преждевременная детонация, критические массы, "пушечный" метод, имплозивные ударные волны. И многие взялись за дело с огромным энтузиазмом. Только Энрико Ферми был в замешательстве. Итальянец воспринимал свою работу над бомбой исключительно как гражданский долг, продиктованный необходимостью военного времени. Он сказал Оппенгеймеру слегка ошеломленно: "Мне кажется, ваши люди действительно хотят создать бомбу".
Атомная индустрия
К осени 1943 года Роберт Оппенгеймер и его исследовательская группа уже ясно представляли себе путь к созданию атомной бомбы и не менее ясно видели проблемы, которые придется преодолеть на этом пути.
В то время в Ок-Ридж возводились два комплекса для крупномасштабного выделения урана-235. Один из них назывался "Y-12". Это был завод для электромагнитного разделения изотопов на базе суперциклотрона, сконструированного Эрнестом Лоуренсом. Лоуренс предполагал, что для выделения 100 граммов урана-235 в день нужно оборудовать суперциклотрон как минимум 2000 коллекторными баками, и все они должны располагаться вертикально между лицевыми поверхностями полюсов тысяч и тысяч тонн магнита. Баки и магниты должны образовать овальные блоки, получившие название "беговых дорожек", – по 96 баков в каждой "дорожке". Лесли Гровс счел, что постройка 2000 коллекторных баков – это нереальная задача для строительной компании, и снизил их количество до 500 (то есть до 5 "дорожек"), предполагая, что совершенствование технологии, которое будет ощутимо еще до завершения строительства, позволит ускорить темпы производства урана и компенсировать разницу.