Стефан Груев
Проектът „Манхатън“ (34) (Неразказаната история за атомната бомба и нейните създатели)

30.

Дръзкият проект на гигантския газово-дифузионен завод за разпадащ се материал в Оук Ридж, Тенеси, нямаше аналог в цялата история на инженерството. Той представляваше невероятен лабиринт от стотици километри тръби, хиляди клапи, съединения и заварки, всичките направени с максимална точност, който освен това трябваше да работи денонощно с прецизност на хронометър. И не щеш ли, някъде по дългите с мили сложни тръбопроводи неочаквано се появява малка, невидима дупчица. Дори да не е по-голяма от върха на игла, в системата бавно и необратимо започва да прониква въздух и корозията тръгва да разяжда метала. Целият процес е провален и сложната апаратура спира. Играчката на стойност 500 милиона се оказва безполезна.

Този кошмар в най-различни варианти тормозеше съня на много членове от екипа на Кийт и Дънинг през цялата 1942 и 1943 г. Бяха създадени специални групи, които да разработват методи за откриване на течове, за да може всеки пробив да бъде незабавно откриван и поправян. Усилията им бяха напразни. Възможно ли е въобще да се откриват течове с такива малки размери? Не съществуваше толкова чувствителна апаратура. Промишлеността никога дотогава не беше се сблъсквала с подобни високи изисквания за херметичност. Инженерите разбраха, че когато учените говорят за абсолютна херметичност, те имат предвид не само малки дупчици, но също и микроскопични пори в материала, появяващи се поради дефект или при лоша заварка. Как да се откриват такива течове по дългите с мили сложни тръбопроводи?

Учените не за първи път се сблъскваха с подобен на пръв поглед нерешим проблем. Повечето от точните научни апарати са измислени и построени в резултат на невероятна изобретателност. Учените от газово-дифузионния проект знаеха достатъчно примери и бяха сигурни, че един ден все някакси и тази трудност ще бъде преодоляна.

Проблемът с херметичността се обсъждаше още през пролетта на 1942 г., когато в Колумбийския университет и в компанията „Келог“ проучваха много интензивно изпълнимостта на газово-дифузионния проект.

— Това е много труден въпрос — казваше Дънинг на съвещанията в „Пъпин Хол“. — Ще е добре да се обадим на Ниър.

Инженерите от лабораторията в Джърси сити бяха докарани до лудост от нечуваните изисквания за херметичност.

— Някой да има идея как можем да откриваме течове? — пита Доби Кийт.

Бяха предложени и бързо отхвърлени най-различни способи.

— Ще трябва да се създадат специални инструменти за този процес — заключи Мансън Бенедикт. — Защо не повикаме Ниър?

През горещото лято на 1942 г. те не бяха единствените, които в критични моменти се обръщаха към доктор Алфред О. Ниър. Макар и само 32-годишен, младият професор от университета в Минесота имаше солидна репутация на вълшебник в прецизната измервателна апаратура. Ваневар Буш и Харолд Юри вече го бяха помолили да създаде специален уред за определяне на урановите изотопи. Друг апарат на Ниър се използваше за анализи в проекта с тежка вода, ръководен от Харолд Юри и професора от Принстън Хю Тейлър^[1]. Едновременно с това той беше измервал обогатяването на уран в малки проби, получени в модел на каскадата, построен от Дънинг и Бут в Колумбийския университет.

Ал Ниър беше дълбоко замесен в многобройни задачи на проекта „Манхатън“. Освен анализите и измерванията, той експериментираше възможностите за обогатяване на уран чрез термо-дифузионния метод, който досега не беше дал добри резултати, а през свободното си време прескачаше и до Бъркли, за да помага на Лорънс в неговия електромагнитен процес. Методът на Лорънс и неговите калутрони всъщност бяха използвали за модел един доста сложен инструмент, заради който Ниър се беше прочул — масспектрометъра.

Масспектрометърът е електромагнитен уред, при който разнородни молекули в газообразно състояние се разделят в отделни снопове въз основа на различия в теглото им. Ниър беше истински виртуоз при създаване на много чувствителни масспектрометри за приложение при различни аналитични задачи. Той чувстваше инструмента с върха на пръстите си, по същия начин, както други чувстваха глината или дървото, когато ги превръщаха в произведения на изкуството.

Още преди основаването на „Келекс“ Колумбийският университет и компанията „Келог“ бяха помолили Ниър да създаде уред за откриване на течове и той вече работеше по задачата на Дънинг и Бут в университета в Минесота. Обикновено пробите с обогатен уран пристигаха от Колумбийския университет с експреса и портиерът ги пренасяше до зданието на катедрата по физика, където на вратата на стая № 62 пишеше със златни букви „Йонизационна лаборатория № 1“.

Ниър, нисичък и весел човек със сива престилка, изглеждаше по-млад от повечето новозавършили студенти. Той получаваше пробите с младежко нетърпение и бързо изпразваше 30-сантиметровите тънки тръбички от домашни хладилници, в които те бяха опаковани. Тясната стая с циментов под, осветена от два малки прозореца, приличаше повече на разхвърляната работилница на любител, отколкото на лаборатория на талантлив учен. Разбутвайки безпорядъка от инструменти, жици и тръби Ниър едва намираше място за новопристигналите проби.

Прочутият масспектрометър, с който се измерваше обогатяването на пробите, се състоеше от голям, почти еднометров магнит, между намотките на който беше разположена в полукръг стъклена тръба. Най-обикновена, почерняла от многобройните измервания и ненаучно изглеждаща тръба. Ниър сам я беше правил и това много ясно си личеше — дебелото, грубо и неполирано стъкло подхождаше повече за буркан с мармалад, отколкото за свръхпрецизен научен уред. Въпреки неугледния му външен вид обаче масспектрометърът беше най-точният измервателен уред, познат на физиците в Америка. Само с този инструмент Дънинг и Бут можеха да разберат дали при дифузия през бариерата на Норис — Адлър се постига някакво обогатяване на урана.

Ниър пропусна различни проби обработен уран през своя масспектрометър и отчете резултатите. Нямаше никакво съмнение — чувствителният уред показваше, че малката опитна бариера е добра. След няколко часа Дънинг и Бут получиха кодирана телеграма, която ги въодушеви:

Проба А 1212 — 0,5%, проба В 1322 — 6/7, Ниър.

Това не означаваше все още, че е създадена достатъчно ефикасна и здрава работоспособна бариера, нито пък че може да се произвежда в големи количества и да издържа на корозия и налягане. Но все пак беше обнадеждаваща стъпка напред.

Алфред Ниър имаше необикновен талант за създаване на остроумни измервателни инструменти с невероятна прецизност — той беше истински Страдивариус на научната апаратура. Изработваше собственоръчно тромавите на вид шедьоври в работилницата на университета в Минесота. Помагаха му само няколко млади студенти и ветеранът от стъклодувната работилница Едуард Гринке, единственият майстор, чиято работа задоволяваше напълно изискванията на Ниър.

За годините си Алфред Ниър бе имал изключителна кариера. Като студент се интересува от атомна физика и докато търси тема за дипломната си работа, решава да се посвети на редките изотопи. Още като студент открива много редкия изотоп калий–40 и го прилага за установяване на възрастта на минералите, област, в която е признат за пионер. Насочва се към урановите изотопи и е първият учен, определил съдържанието на U–235 в природния уран — само една част на 139. По това време Ниър е 26-годишен, току-що защитил дисертация, и работи в Харвард. През 1938 г. се връща като доцент в Минеаполис и продължава да работи върху изотопите на оловото и урана, като използва масспектрометъра за определяне на атомните тегла.

Най-значителният принос на Ниър е първото пречистване на малки количества U–235 през 1940 г. Дотогава никой не бил виждал уран–235. Няколко години преди това професор Артър Демпстър от Чикаго доказва съществуването на този изотоп чрез фотоплака, на която се отбелязват следите на U–235 и U–238. Количеството на изотопите било толкова малко, че под тяхно действие се проявяват само няколко сребърни зрънца във фотографската емулсия. Ниър успява за първи път да получи достатъчни количества за извършване на ядрени измервания. Количествата били толкова малки, от порядъка на микрограмове, че се виждали само като леки ивици от белезникави наслагвания върху платиновия фон. Тези бледи петна изиграват голяма роля в развитието на ядрената физика.

През 1939 г. физиците по целия свят са много развълнувани от новината за първото разпадане на урановото ядро, но никой не знае кой от изотопите му е причина за това — редкият U–235, по-обилният U–238, или и двата. Някои, между които и надареният с остра интуиция Джон Дънинг от Колумбийския университет, смятат, че U–235 е единственият разпадащ се материал. Великият Нилс Бор е на същото мнение, но Енрико Ферми мисли, без да е много сигурен, че това е U–238. Въпросът е много важен, но няма начини да се подложат на проверка двете хипотези.

Дънинг, който тогава е едва 32-годишен, и колегата му Юджийн Бут решават да бомбардират с неутрони проби от U–235 и U–238 поотделно, за да видят при кой от изотопите ще се получи ядрен разпад. Но откъде да се намерят дори и малки количества чисти изотопи?

През април 1939 г. Ниър получава от Дънинг писмо от цели три страници. Колумбийският учен разказва за работата си върху разпадането на урана и за надеждите си да получи верижна реакция.

Има една стратегия, която заслужава сериозни усилия и точно в това направление се нуждаем от вашето сътрудничество…

Изключително важно е да се получат достатъчни количества чисти уранови изотопи, за да може да се експериментира с тях. Ако вие успеете да разделите двата изотопа, дори и в минимални количества, има голяма вероятност ние с Бут да открием кой от тях участва в ядрения разпад, като ги бомбардираме в циклотрона. Няма друг начин за решаване на този въпрос. Ако успеем да си сътрудничим и ни помогнете с пречистването на изотопите, бихме могли с обединените си усилия да решим въпроса.

Ал Ниър е много въодушевен от предстоящия експеримент. По-късно през същата година на една конференция на Американското физично дружество обсъждат опита с Дънинг и Ферми и той се захваща за работа веднага щом се връща вкъщи, като приспособява масспектрометъра за пречистване на уранови изотопи. В началото опитва с уранов хексафлуорид, доставен от химика в групата на Дънинг доктор Аристид Грос. Този газ се оказва неподходящ и Ниър продължава с тетрахлорид и тетрабромид. Едуард Гринке приготвя специална стъклена тръба, а Ниър изработва сам металните части. На 27 февруари 1940 г. Ниър започва разделянето и само след два дни получава микроскопични отлагания от U–235 и U–238, събрани в никелови колектори с размери 5 на 10 мм.

Ниър залепва с лента пробите върху една пощенска картичка, прибавя ръкописно обяснение и изтичва до пощата в Минеаполис, където ги изпраща на Дънинг и Бут с въздушна поща. Пробите са получени още следващия следобед и те започват трескаво да експериментират с тях още същата нощ.

Рано на другата сутрин — неделя — Ниър е събуден по телефона от Дънинг, който едва сдържа възбудата си. Двете проби били бомбардирани с неутрони в циклотрона на Колумбийския университет и продукти от ядрен разпад се получили само при пробата, отбелязана от Ниър като „235“. От този момент става ясно, че за създаване на атомна бомба е необходимо да се пречистят достатъчни количества U–235, а не безполезния изотоп U–238. Свръхталантливият физик-техник Ниър изиграва решаваща роля при откритието на Дънинг.

Няколко години по-късно Ниър отново бе повикан, този път да създаде метод за откриване на най-малките течове, които могат да се появят в газово-дифузионната инсталация. Той прие новото поръчение също толкова делово, както беше приел и другите военни задачи, върху които работеше през 1942 г. Водеше се война, и като експерт, чиито съвети и помощ са много нужни, той беше винаги готов да се нагърби и с най-тежката работа. С каквото и да се захване, Ал Ниър винаги даваше всичко от себе си.

Дете на бедни и необразовани германски емигранти, Ниър беше родом от Сейнт Пол, Минесота. Баща му бил отруден машинист, а майка му произхождала от семейство на дърводелци. Родителите искали един ден синът им да си намери добра професия. Скоро се разбрало, че младият Алфред ще стане учен или инженер, защото физиката, химията и математиката му се отдавали, а останалите предмети не го интересували особено. Той с лекота успял да прескочи година и половина в първоначалното училище.

На 14 години започва да продава вестници, от което печелел по 40 долара седмично, отделяни за следването в колеж. Като завършва гимназия, има вече събрани около 400 долара и се записва в университета в Минесота да следва инженерство. Завършва през 1931 г. в разгара на Депресията, когато работа се намира много трудно, но тъй като бил добър студент, получава преподавателско място, за да може да подготви дисертация по физика. След защитата Ниър, който вече има репутация на добър изследовател, получава много високо ценената стипендия на Националния изследователски съвет и специализира за две години в Харвард, преди отново да получи длъжност в университета в Минесота.

Алфред Ниър успя да намери начин да открива течовете в газово-дифузионната система, като създаде специален масспектрометър, настроен спрямо хелий. Съдържанието на хелия в атмосферата е нищожно — само 1 на 200 000, но инструментът беше толкова чувствителен, че го откриваше. Най-напред се изтегляше въздухът от тръбата или резервоара, които подлежат на изпитване, след което към тях се прикачваше масспектрометърът. Цялата част се поставяше в пластмасова тръба, чиято външна повърхност се напръскваше с хелий. При наличието и на най-малката дупчица хелият проникваше във вакуума на тръбата и беше улавян от уреда.

Инструментът, наречен „хелиев детектор на течове“, беше невероятно чувствителен — откриваше и най-малката, дори невидима с око дупчица или дефект в материала. Но как биха могли инженерите с негова помощ да проверят една по една огромния брой тръби, заварки, съединения и кранове в гигантския завод? Ниър реши въпроса много находчиво — той направи подвижен детектор и го постави на колела. Съоръжението приличаше на два шкафа, поставени един до друг, с обща отворена страна. Детекторът беше висок 1,20 м и тежеше 250 кг. Той съдържаше стъклената тръба на спектрометъра, помпи за вакуум и цялата електронна апаратура за контрол. Можеше да бъде закаран до всяка точка, където имаше ток и вода за охлаждане, необходими за измерването.

Ниър изработи прототипите с помощта на няколко студенти в лабораторията в Минеаполис. Първите екземпляри имаха много недостатъци — стъклените им части например бяха прекалено чупливи — но принципът беше добър. Докато Ниър се занимаваше с подобряването на уредите, в Ню Йорк беше основана компанията „Келекс“ и през лятото на 1943 г. той беше поканен да се присъедини към нея, защото имаха остра нужда от него. За Ниър беше трудно да вземе решение, защото беше поканен едновременно в Чикаго, Лос Аламос и Колумбия. И на трите места работата беше важна и спешна, но старият приятел от Харвард, Мансън Бенедикт, успя да го убеди, че е най-необходим в „Келекс“.

През юли Ниър пристигна с жена си и децата в Ню Йорк и започна работа в „Улуърт Билдинг“. Беше поставен в отдела на Джордж Уотс, където си сътрудничеше тясно с Том Абът, бивш заводски ръководител от „Дженерал Електрик“. Това беше много полезно, защото детекторите на Ниър се произвеждаха в „Дженерал Електрик“ и двамата често пътуваха до заводите в Скенектади.

Детекторът със стъклена тръба беше добър за лабораторни цели, но използването му в промишлеността би било непрактично. В продължение на месеци Ниър се опитваше да конструира изцяло метален инструмент и накрая успя, не без помощта на Чарлс Стивънс. Скоро след това започна и редовното му производство в „Дженерал Електрик“.

Ниър все още работеше върху детектора, когато от „Келекс“ му възложиха още по-трудна задача. Ако бъде построен и започне работа огромният завод К–25, ще бъде необходимо непрекъснато да се контролира съставът на газовете във всяка точка на сложната каскада. Инсталацията може да бъде разрушена, ако се получи теч и в нея навлезе въздух и затова беше необходимо непрекъснато да се следи съставът на газовете по време на процеса.

Задачата беше изключително трудна заради огромния размер и сложната, многостъпална конструкция на бъдещия завод. Какви инструменти биха могли да следят непрекъснато и точно процесите в херметично затворените тръби на инсталацията? Такъв инструмент не съществуваше и според повечето инженери никога не би могъл да бъде създаден. Доби Кийт и останалите шефове на „Келекс“ бяха толкова „преситени“ от непреодолимите проблеми, с които се сблъскваха всеки ден, че ги приемаха като нещо съвсем рутинно. Непривични за тях бяха само лесните задачи. На седмичните конференции в кабинета на Кийт в „Улуърт Билдинг“ никой вече дори не обсъждаше дали е възможно да се построи газово-дифузионен завод. Единствените въпроси, които ги вълнуваха бяха: „Как?“ и „Кога?“

Но тъй като в тези въпроси се съдържаше и понятието „измервателни уреди“, винаги се стигаше до обичайното: „Да попитаме Ал Ниър.“ Той прекарваше дълги часове в библиотеката, за да чете и да мисли как да реши проблема. Първата му идея беше да приспособи по някакъв начин масспектрометъра, но това му се видя много сложно. Нямаше много време — проектирането на завода беше завършено, но никой не можеше да му помогне с по-подробни данни, защото и самите проектанти не ги знаеха.

Невъзможно му беше да създава нова техника, без да знае повече за завода. Един прекрасен ден, когато се бореше с проблема, Албърт Бейкър, главният инженер на „Келекс“, му каза:

— Виж какво, Ал. Взехме те, защото ти знаеш много за масспектрометрите. Защо просто не направиш един нов уред на техния принцип?

И Ниър го направи. Той създаде специален малък записващ спектрометър, наречен „линеен записвач“. Той беше настроен към газовия състав в определена точка на каскадата и веднага можеше да установи присъствие на примеси, дължащи се на течове. Данните от многобройните точки се събираха в централния контролен пункт, откъдето се управляваше целият процес.

За първи път голям брой масспектрометри бяха пръснати из целия огромен завод, но данните от тях се отчитаха на едно място — в контролния пункт. Ниър само сглоби първата половин дузина, а след това те вече бяха възпроизведени в голямо количество от „Дженерал Електрик“. Ал Ниър отново беше създал уред, без който проектът „Манхатън“ не би могъл да се реализира.