Чтобы комплекс заработал, нужны были вакуумная система и магниты, которые никогда еще не приходилось конструировать в таких огромных масштабах. Длина каждого магнита составляла 76 метров, вес – от 3000 до 10 000 тонн. На их конструкцию ушла почти вся добытая в США медь. Министерство финансов ссудило для проекта 15 000 тонн серебра, из которого изготавливались обмотки электромагнитных катушек. Магниты требовали больше энергии, чем крупный город. На заводе было занято 13 000 рабочих. Первая "дорожка" под названием "Альфа-1" начала работу в ноябре 1943 года.
Несмотря на колоссальные масштабы "Y-12", Лесли Гровс все еще с сомнением относился к перспективам электромагнитного метода. Примерно в 13 километрах юго-западнее "Y-12" расположился комплекс с газодиффузионной установкой – он назывался "К-25" и также пока еще находился на стадии возведения. Этот завод располагался в U-образном строении длиной километр и шириной три километра. В то время это было самое крупное здание в мире. На заводе должно было работать 12 000 человек. Метод газовой диффузии считался более освоенной технологией, нежели электромагнитное разделение. Но укрощение и этой технологии все еще напоминало авантюру: в Колумбийском университете процесс газовой диффузии по-прежнему активно изучали, но еще не решены были проблемы, связанные с коррозией от гексафторида урана.
Другое направление работ было связано с плутонием. После того как в декабре 1942 года Энрико Ферми успешно продемонстрировал самоподдерживающуюся ядерную реакцию, ученые приступили к сборке гораздо более крупного реактора, предназначенного для производства плутония. Комплекс сооружали в "Зоне W" – на территории города Хэнфорд, на юге штата Вашингтон. Работы начались в марте 1943 года, в строительстве было занято 45 000 человек. Первый ядерный реактор, названный "В" (или "105-В"), на основе ураново-графитовой модели, предложенной Ферми, начали строить в августе 1943 года. При этом на возведение завода должно было уйти около года. Следовательно, первая значительная партия плутония, достаточная для применения в атомной бомбе, могла быть получена не ранее 1945 года.
Кроме того, пока оставалось неясным, будет ли эффективен "пушечный" метод в плутониевой бомбе. На тот момент ученые слишком мало знали о физических свойствах нового элемента (в частности, о спонтанном распаде и о преждевременной детонации), чтобы делать какие-то выводы. Если плутоний покажет выраженную тенденцию к преждевременной детонации, начальной скорости заряда не хватит даже при выстреле из самой большой пушки. Плутониевая "затравка" войдет в докритическую массу слишком медленно, чтобы вызвать взрыв. В отличие от "пушечного" метода, имплозия позволяла собрать сверхкритическую массу быстрее и надежнее. Более того, Эдвард Теллер предположил, что докритическую массу плутония в сверхкритическую способна сжать сильная взрывная волна: обычный взрыв буквально спрессует элементы бомбы, после чего уже последует атомный взрыв.
Математик и физик Джон фон Нейман показал, что ударная волна должна быть практически идеальной сферой с погрешностью не более 5 %. В начале июля Сет Неддермейер приступил к небольшим имплозивным экспериментам, которые проходили на плато к юго-востоку от лаборатории Лос-Аламос. Опыт выглядел так. Обычные взрывчатые вещества, обернутые вокруг коротких отрезков трубы, подрывали, и в итоге трубы должны были тесно сблизиться друг с другом, образуя таким образом плоские металлические слитки. Сначала результаты были неудовлетворительными: трубы кривились и сгибались – это означало, что ударная волна имеет неправильную форму.
Согласно расчетам, урановая или плутониевая бомба, основанная на "пушечном" методе, должна быть длинной и тонкой – 5 метров в длину и примерно 60 сантиметров в диаметре. Роберт Сербер назвал эту модель "Худыш" – как персонажа одноименного детективного романа Дэшила Хэммета, написанного в 1933 году. Предполагалось, что плутониевая имплозивная бомба, если имплозию действительно удастся осуществить, должна быть около 3 метров в длину и чуть больше 1,5 метра в диаметре. Такую бомбу Роберт Сербер назвал "Толстяком" в честь Каспера Гатмена – персонажа, сыгранного Сидни Гринстритом в фильме "Мальтийский сокол" по роману все того же Дэшила Хэммета.
Испытания по сбросу бомб таких размеров с бомбардировщика "Б-29" начались в августе 1943 года. Крупномасштабное производство самолетов этой модели для военных целей в Америке только начиналось, и машину требовалось усовершенствовать – так, чтобы она могла донести бомбы до цели. В ходе экспериментов нужно было определить, какие именно изменения понадобится внести в конструкцию самолета. Для сохранения секретности при телефонных разговорах авиационные служащие говорили о самолетах так, как будто они предназначались для перелетов Франклина Рузвельта ("Худыш") и Уинстона Черчилля ("Толстяк").
В это время итальянский физик Эмилио Сегре сделал открытие, значительно приблизившее день создания атомной бомбы. В декабре 1943 года он обосновался в небольшом деревянном домике в укромном каньоне Пахарито в нескольких милях от основной лаборатории. Здесь Сегре повторял эксперименты, направленные на изучение спонтанного деления ядер природного урана, которые ранее проводил в Беркли. В целом результаты были такими же, но явно указывали на большее содержание урана-235. Сегре попытался выяснить почему. Оказалось, что дело в высоте. На плато (2225 метров над уровнем моря) образцы Сегре рассеивали гораздо больше нейтронов – из-за воздействия космических лучей, проникавших через верхние слои атмосферы. Чем ближе к верхним слоям атмосферы находился образец, тем больше нейтронов рассеивалось и тем выше была скорость деления. В Беркли удавалось получить гораздо меньше рассеянных нейтронов, так как по отношению к уровню моря город располагался ниже. Это означало, что, если защитить бомбу от рассеянных нейтронов, риск ее преждевременной детонации значительно снизится. Материал активной зоны может быть гораздо менее чистым, чем предполагалось ранее. Кроме того, можно снизить начальную скорость заряда в пушке, требуемую для сбора сверхкритической массы, а значит, можно уменьшить длину ствола и сделать бомбу гораздо компактнее. С 5 метров (длины "Худыша") размер бомбы теперь уменьшился примерно до 1,8 метра. Новая модель получила название "Малыш" – младший брат "Худыша".
Но оставалось еще одно. Согласно оценкам Эрнеста Лоуренса, за время, отведенное на "Манхэттенский проект", можно выделить такое количество урана-235, которого хватит лишь на одну бомбу. Нельзя угрожать атомной бомбой, не имея ее в наличии. Допустим, союзники по антигитлеровской коалиции используют атомную бомбу в начале 1945 года, но они не смогут подкрепить ее разрушительный эффект угрозой повторного применения. Или придется пойти на очень опасный блеф. А что, если немцы ответят собственной бомбой?..
В Ок-Ридже действовал небольшой экспериментальный ядерный реактор – "Х-10", впервые достигший критической массы в ноябре 1943 года. Он предназначался для производства плутония, который собирались применять в лабораторных опытах. И, работая на этом реакторе, физики из Лос-Аламоса обнаружили проблему, которая поставила под сомнение само существование плутониевой бомбы. Оказалось, что свойства плутония из "Х-10" значительно отличаются от свойств микроскопических доз плутония, которые были получены в циклотроне. Годом ранее Гленн Сиборг предупреждал о том, что плутоний, производимый в реакторе, может содержать небольшие количества изотопа плутоний-240, образующегося из плутония-239 после захвата еще одного нейтрона. Сиборг был прав, но ошибся в количестве. Чем дольше плутоний накапливался в реакторе, тем выше становилась доля плутония-240. И этот изотоп оказался очень нестабильным, активно излучал альфа-частицы и был постоянным источником фоновых нейтронов. Считалось, что при применении "пушечного" метода компоненты с докритической массой дают сверхкритическую в течение примерно одной десятитысячной доли секунды. Высокая же скорость спонтанного деления плутония-240 вызовет попадание целого потока нейтронов в собираемую массу еще до достижения оптимальной конфигурации заряда – значит, преждевременная детонация неизбежна. При этом бомба "займется", но не взорвется.
Чтобы очистить плутоний, нужно было отделить плутоний-240 от плутония-239. Из-за того что ядра двух изотопов отличались только на один нейтрон, задача была значительно сложнее, нежели отделение урана-235 от урана-238. Перспектива получить плутоний, а значит, получить доступ к ядерному топливу, которое не требовало трудоемкого разделения изотопов, теперь представлялась совершенно нереальной.
Для обсуждения проблемы Роберт Оппенгеймер встретился 17 июля 1944 года с Джеймсом Конентом, Артуром Комптоном, Энрико Ферми и Лесли Гровсом в Чикаго. Методов очистки плутония, реализуемых на практике, не существовало. Применять же неочищенное топливо в бомбе, сконструированной по "пушечному" принципу, было нельзя. Конент предложил в качестве альтернативы использовать смесь урана с плутонием. Но это будет маломощное оружие, а его взрывная сила не превысит нескольких сотен тонн тротила. Конечно, создав такое оружие, физики получат опыт, необходимый для конструирования более мощных бомб, но Оппенгеймер решительно возразил, что в таком случае в работе возникнет недопустимая задержка. В заключительном отчете, подготовленном на следующий день, он написал:
Представляется целесообразным прекратить интенсивные работы, направленные на получение высокоочищенного плутония, и сосредоточиться на разработке методов, не требующих низкого нейтронного фона. В настоящее время наивысший приоритет следует присвоить имплозивному методу.
Взрывные линзы
Сет Неддермейер и его группа, изучавшая имплозию в артиллерийско-техническом отделе, подошла к проблеме достаточно старательно и академично. "Я чувствовал, что [Оппенгеймер] был очень недоволен тем, что я не спешу с результатами, что я как будто работаю не над военным проектом, а над обыденной научной проблемой", – признавал позже Неддермейер.
Однако решение проблемы имплозии предложил не он, а Джеймс Так – физик из Манчестера, специализировавшийся на кумулятивном эффекте и прибывший в США вместе с другими британскими учеными. Неддермейер пытался создать ударную волну практически идеальной сферической формы, изменяя контуры взрыва, вид взрывчатого вещества, количество детонаторов и их расположение. Взрывная волна, порождаемая точечным детонатором, распространялась по взрывчатому веществу точно так же, как расходятся круги по воде, если бросить в воду камешек. При размещении рядом нескольких детонаторов получались непредсказуемые комбинации сходящихся и расходящихся взрывных волн, как если бы в воду бросили целую горсть камней. Джеймс Так утверждал, что эта проблема не нова: американцы и англичане уже давно разрабатывали бронебойные снаряды, в которых вся взрывная сила заряда направлялась внутрь атакуемой брони, в результате чего образовывались так называемые "взрывные линзы". Эффект возникал по тем же законам, которые действовали при фокусировке световых волн обычными линзами. Оптическая линза влияет на скорость проходящего через нее света так, что в различных частях линзы эта скорость становится разной и свет "собирается" к центру. Взрывная линза состоит из серии зарядов с различной скоростью детонации – в результате взрывная волна "собирается" и фокусируется. Если окружить сферическое плутониевое ядро взрывными линзами, а затем синхронно детонировать все заряды, то, по мнению Джеймса Така, можно получить взрывную волну идеальной сферической формы, направленную точно в центр ядра.
Его предложение не сразу было признано искомым решением проблемы. Создать взрывные линзы было гораздо сложнее, чем просто попытаться получить сферическую взрывную волну с помощью обычной взрывчатки. Однако начальные опыты с имплозией, которые проводил Сет Неддермейер, казались многообещающими. Джеффри Тейлор, ведущий британский специалист по гидродинамике, приехал в Лос-Аламос в мае 1944 года и высказал свое веское мнение. Его расчеты свидетельствовали о том, что обычными методами проблему не решить, и физики Лос-Аламоса стали постепенно приходить к пониманию того, что взрывные линзы – это единственный выход.
Роберт Оппенгеймер решил в корне изменить направление деятельности. В августе 1944 года он разделил артиллерийско-технический отдел на два новых: отдел G (от "gadget" – "устройство, штуковина, прибамбас"), в задачу которого входило изучение имплозии и разработка бомбы "Толстяк", и отдел X (от "eXplosives" – взрывчатое вещество), основной задачей которого стала разработка взрывных линз. Во главе второго отдела Оппенгеймер поставил Георгия Кистяковского, американского физика российского происхождения, который до этого бывал на Холме в качестве консультанта. Через несколько месяцев отдел "Х" включал более 600 специалистов, в том числе 400 военных физиков и инженеров, набранных в Специальное инженерное подразделение. В его состав входили рядовые и сержанты, многие из которых имели специальное образование, а некоторые и докторскую степень.
Обогащенный уран начал поступать в Лос-Аламос из Ок-Риджа в начале 1945 года. Отто Фриш, поселившийся на Холме вместе с другими британскими физиками, разработал хитроумный способ точно определить, сколько именно ядерного топлива понадобится для создания бомбы. Ученые уже имели большой опыт работы с конструкциями из уложенных друг на друга блоков гидрида урана. Массу приближали к критической, снижая долю водорода и пропорционально увеличивая содержание урана-235. Такая "голая" конструкция, которую Фриш называл "Леди Годива", была довольно опасна в эксплуатации. Сам Фриш получил изрядную долю радиации, когда прислонился к установке. От его тела отразилась часть нейтронов. Если бы не препятствие в виде тела ученого, нейтроны вылетели бы из конструкции. А так они вернулись обратно, и сборка стала критической. Фриш заметил, как маленькие красные лампочки, индикаторы интенсивности нейтронов, перестали мигать – они ярко светились, а счетчики нейтронов были перегружены. Фриш поспешно остановил эксперимент.
Теперь предстояло узнать, как обеспечить при работе с критическими и сверхкритическими сборками относительную безопасность. Фриш предлагал собирать блоки из обогащенного гидрида урана в конфигурации, близкие к критическим, но оставлять в центре сборки сквозное отверстие, а затем загнать в это отверстие еще один блок обогащенного гидрида урана (его назвали "ядром"), чтобы сборка стала критической мгновенно, в момент прохождения ядра через сборку и еще до того, как оно из конструкции выпадет. Ричард Фейнман, выступавший в роли эксперта, интуитивно понял, что эксперимент многообещающий, уподобив его "дерганию за хвост спящего дракона". С тех пор этот опыт стали называть "драконьим". Практически это означало, что ученые могли запустить атомный взрыв, ничего на самом деле не взрывая. Но если ядро застрянет, проскакивая через сборку, масса станет критической, и физики получат смертельные дозы радиации.
Возглавив отдел "G", Отто Фриш сконструировал первую из серии таких сборок в небольшой лаборатории в каньоне Омега, немного отдаленной от основного комплекса Лос-Аламоса. Фриш работал круглыми сутками, чтобы провести первые точные измерения критической массы урана-235. Эксперименты были очень успешными. Ядро проскакивало через сборку за доли секунды, и в это мгновение происходил огромный выброс нейтронов, а температура аппарата возрастала на несколько градусов. Максимальный показатель выделения энергии составил 12 миллионов ватт; выброс, длившийся в течение всего лишь трех тысячных долей секунды, увеличил температуру сборки на 6 °C. Это был первый опыт изучения сверхкритической массы урана в лабораторных условиях.
В то же время отдел "X", руководимый Георгием Кистяковским, развил бурную деятельность. Леса, окружавшие Лос-Аламос, гудели от бесконечной череды взрывов, грохотавших все чаще по мере того, как ученые наращивали мощь своих экспериментов. Группа расходовала примерно по тонне фугасной взрывчатки ежедневно, наполняя ею формы и создавая кумулятивные заряды, каждый из которых весил около 23 килограммов и требовал ювелирной точности при обработке. Изучая имплозию, сотрудники отдела "G" придумали серию диагностических испытаний: в них можно было проверить, насколько симметричной получалась взрывная волна. Джон фон Нейман разработал разновидность взрывных линз, состоявших из быстро сгоравшего внешнего слоя и медленно горевшего внутреннего компонента – вместе они действовали как увеличительное стекло, формируя контуры взрывной волны и направляя ее прямо к ядру бомбы. Каждая линза преобразовывала волну от исходного взрыва из сферической, распространяющейся во все стороны, в сферическую, сходящуюся к центральной точке. Второй слой быстро сгоравшего топлива наращивал и усиливал взрывную волну.
7 февраля 1945 года испытания дали обнадеживающие результаты, хотя сферического сжатия твердого ядра всё еще достичь не удалось. 28 февраля состоялось совещание, на котором в числе прочих присутствовали Роберт Оппенгеймер, Лесли Гровс, Джеймс Конент и Георгий Кистяковский. В ходе обсуждения ученые окончательно определили химический состав взрывных линз и общие принципы конструирования плутониевой бомбы.
1 марта Оппенгеймер создал комитет "Ковбой", руководить которым поручил физику Сэмюелю Эллисону, недавно освобожденному от работ в "Метлабе". Задачей "Ковбоя" было "гнать процесс" на заключительных стадиях разработки бомбы. Кистяковский не доверял Эллисону и считал, что Оппенгеймер приказал новоприбывшему коллеге наблюдать за ним. Давление возрастало, нервы у физиков начинали сдавать.
Хотя в Ок-Ридже надежно наладили производство оружейного урана-235, до вероятного конца войны вряд ли было возможно создать хотя бы одну бомбу. С другой стороны, в Хэнфорде полным ходом шла наработка плутония, которого хватило бы на несколько бомб, но обычная "пушечная" схема детонации не могла применяться с реакторным плутонием. Получалось, что все зависело от успеха работ с имплозией. Кистяковский оказался на своеобразной линии фронта. Неважно, насколько ценен был плутоний, прибывавший из Хэнфорда: ученые в Лос-Аламосе сомневались, что "Толстяк" взорвется. Поэтому требовалось провести полномасштабное испытание.
"Троица"
План такого испытания начал разрабатываться годом ранее. Тогда определили место – на краю полигона Аламогордо в пустыне в Нью-Мексико. Его использовала военная авиация для учебных бомбометаний. Полигон имел почти 39 километров в длину и 29 километров в ширину. Когда пришло время дать полигону название, эрудированный Роберт Оппенгеймер вспомнил XIV-й сонет Джона Донна:
Раздави мое сердце, Трехликий Господь,
Постучи, подыши, посвети, посмотри,
Разломай и сожги мою смертную плоть
И сотри в порошок, и опять сотвори.
В итоге полигон стал называться "Трехликий Господь", то есть "Троица" ("Тринити"). Таким же кодовым словом пользовались и для обозначения самого испытания. Подготовку полигона Оппенгеймер поручил гарвардскому физику Кеннету Бейнбриджу.