Стефан Груев
Проектът „Манхатън“ (52) (Неразказаната история за атомната бомба и нейните създатели)

48.

Експлозиите, които жителите на Лос Аламос чуха на 4-ти юли, не бяха фойерверки по случай националния празник. Гърмежите идваха от каньона край ранчото Анкор, където половин дузина мъже си играеха на една шумна и много опасна „игра“. Те поставяха блокчета ТНТ около големи стоманени тръби и ги детонираха. След експлозията тръбите се превръщаха в плътни метални блокове. Това беше „имплозия“, както го наричаше шефът на групата, Сет Недърмайер, но капитан Уилям (Дийк) Парсънс, заради когото се правеха демонстрациите, си оставаше недоверчив както винаги.

Новият термин — имплозия — бе предложен за първи път от Недърмайер. Принципът на имплозията беше напълно непознат преди демонстрациите. Идеята на Недърмайер първоначално приличаше повече на теоретично упражнение, отколкото на нещо технически осъществимо. Той беше убеден, че късове плутоний могат да се превърнат в малка плътна топка, ако бъдат смазани от разположени извън тях експлозиви. Според неговата теория чрез имплозия може да се създаде плътна сфера от плутония само за милионна част от секундата.

Опенхаймер, а също и останалите ръководители на отдели, включително Бете и Бейчър, бяха скептични. Капитан Парсънс, шефът на арсенала, беше категорично против. Останалите учени, убедени, че проблемите при разработването на имплозията ще бъдат много трудни, предпочитаха да се запази доказаният вече „оръдеен“ метод. Парсънс, който беше действащ флотски офицер е големи познания по артилерия и балистика, също държеше на „доброто старо оръдие“. За него въпросът беше ясен — след като има недостиг на време и средства, пренебрегването на изпитаните методи заради фантастични и непроверени идеи беше чиста лудост.

Недърмайер, зад когото твърдо стоеше малка група учени, продължаваше с експериментите. Резултатите обаче бяха отчайващи. Имплозиите бяха твърде неравномерни и асиметрични — един участък от сферата се свиваше много бързо, докато друг си оставаше незасегнат и не можеше да се постигне равномерност. Недостатъците на имплозията като че ли бяха прекалено големи.

Повечето учени в Лос Аламос не обръщаха никакво внимание на групата на Недърмайер и се съсредоточаваха върху оръдейния метод. Точно в този момент се разбра, че този изпитан и проверен метод не може да се използва при плутониевата бомба. В първите проби от малкия реактор в Оук Ридж бе открит неизвестен досега изотоп, който също можеше спонтанно да се разпада. Това означаваше, че изотопът непрекъснато ще излъчва неутрони и оръдейният метод е твърде бавен, за да предотврати възможната преждевременна реакция. Невъзможно беше да се създаде плутониева бомба, ако междувременно не се открие фантастично бърз метод за достигане на критична маса. Настроението в Лос Аламос беше крайно мрачно.

Единствената алтернатива беше имплозията. Но ще може ли при нея да се постигне абсолютната прецизност, която не беше осъществена при досегашните експерименти? Теоретичният отдел изчисли, че ако в една точка експлозията настъпи само с една милионна част от секундата по-рано, отколкото в останалите, методът няма да даде резултат. Работата изглеждаше невъзможна. В този момент намесата на двама души — Джон фон Нойман и Робърт Кристи — коренно промени положението.

Едва 40-годишен, математикът Джони фон Нойман, заедно с Албърт Айнщайн, беше един от основателите на Института за съвременни изследвания в Принстън. Като консултант на проекта „Манхатън“, той често посещаваше Лос Аламос. Унгарец от Будапеща, учил в Берлин, Цюрих и Гьотинген, преди да стане американски гражданин през 1937 г.,^[1] фон Нойман — широкоизвестен със своята математична теория на игрите — беше извънредно дружелюбен и сърдечен човек. Неговият феноменален ум можеше да извършва такива сложни изчисления, че веднъж един негов слисан колега каза: „Джони се е родил извънземен. При дългото си съжителство с хората той се е научил съвършено да ги имитира.“ В силно критичнонастроената научна общност получаването на титлата „гений“ беше толкова трудно, колкото и канонизирането на светец от католическата църква. По отношение на Джон фон Нойман цареше пълно единодушие — всички го признаваха за гений, равен на Енрико Ферми и Нилс Бор.

Фон Нойман пристигна за пръв път в Лос Аламос към края на 1943 г. и като чу за имплозията, се впусна в толкова сложни изчисления, че никой не можа да ги разбере. След това сподели с управителния съвет на лабораторията, че намира прилики между принципа на Недърмайер и някои изследвания върху бронирани плочи, извършвани в Абърдийнската балистична лаборатория в Мериленд. Там ускорявали различни материали с помощта на взрив. Фон Нойман не само вярваше в приложимостта на имплозията, но беше убеден, че тя е единственият възможен метод за решаване на проблема с плутониевата бомба.

Този път го послушаха. Опенхаймер повярва на фон Нойман, когото познаваше и много уважаваше още от времето на следването им в Германия. Скоро на повечето групи в лабораторията беше наредено да превключат на имплозията.

Другият фактор, който накара Опенхаймер да промени мнението си, беше откриването на „джаджата на Кристи“. Доктор Робърт Кристи от Теоретичния отдел изчисли, че имплозията на субкритична маса плутоний може да причини такова сгъстяване на метала, че той да достигне критично състояние. При „джаджата на Кристи“ критичната маса се постигаше чрез сгъстяване, а не чрез прибавяне на допълнително количество.

— Това забележително явление — сгъстяването на „несвиваем“ твърд материал под действието на имплозията — надминава много нашия земен опит и не може лесно да се разбере от всеки — каза по този повод Дейвид Хокинс, член на същата лаборатория.

През февруари 1944 г. принципът на Кристи бе възприет и усилията се съсредоточиха върху сферите. Междувременно възникнаха напрежения в Арсеналния отдел, към който принадлежеше групата по имплозията. Капитан Парсънс и доктор Недърмайер не се разбираха от момента, в който флотският офицер се беше изказал враждебно за тази идея. Недърмайер като истински самотен вълк вярваше, че проучванията върху имплозията трябва да се извършват от малка група водещи физици и никак не беше доволен от дисциплината, която налагаше капитан Парсънс. Той пък от своя страна беше убеден, че след като имплозията е възприета за основна задача, тя става главна цел на Арсеналния отдел и към него трябва да се мобилизират всички хора и средства.

Със задълбочаването на конфликта между Недърмайер и Парсънс Опенхаймер постави като буфер между двамата енергичния физик от руски произход Джордж Кистяковски. Постепенно отговорностите на Парсънс за превръщането на атомното устройство в истинско бойно оръжие го занимаваха все повече и работата върху имплозията беше стоварена на гърба на Кистяковски. Недърмайер се насочи към други области и престана да се занимава с имплозията. Чрез реорганизацията, която Опенхаймер извърши през лятото на 1944 г., с имплозията бяха натоварени Кистяковски и Бейчър, които поеха ръководството на отделите, разработващи експлозивите и „джаджата“.

„Кисти“ имаше прям характер и беше един от малкото учени специалисти по експлозиви в САЩ. Преди войната изумително малко се знаело за теорията на експлозията и поведението на взривните вълни. Кистяковски бил един от пионерите в тази област и затова Конант го покани да проучва тези проблеми за Изследователския комитет по националната отбрана.

Роден в Киев през 1900 г., Кистяковски не бе успял дори да завърши гимназия в Москва, защото се присъединил към белите армии, които се борели с болшевизма под водачеството на Врангел и Деникин. След разгрома той избягал през Турция в Берлин и без пукната пара в джоба успял да завърши висше образование. „В Германия винаги ще гледат на вас като на руснак — казал му един от неговите професори. — Защо не си опитате късмета в Америка?“ Пристигнал в САЩ през 1925 г. и още след първите дни в Принстън младият и строен химик разбрал, че това ще бъде истинската му родина.

Само за една година броят на хората, работещи върху имплозията, нарасна от 20 до над 600. На теория методът изглеждаше осъществим. Но как да се проектира и създаде такова чудо на точността и симетрията и да се синхронизира с точност до милионна част от секундата сложната система от детонатори и експлозиви^[2]?

В сърцевината на бомбата се намира една сфера от плутоний с маса съвсем малко под критичната. Тази сфера, състояща се от две половинки, е заобиколена от по-голяма сфера от експлозиви, подобно на костилка в праскова. Голям брой детонатори, подредени симетрично по външната повърхност на експлозивите, се задействат едновременно от електрически контакти и предизвикват взрив. Налягането сгъстява сферата от плутоний навътре и се достига критичната маса. Разпадането на ядрата предизвиква фантастично бърза верижна реакция, при която се освобождава невиждана дотогава енергия. На книга всичко изглеждаше просто, но на практика трябваше да се преодолеят невероятни трудности, да се измислят остроумни „джаджи“ и сложни приспособления, за да може да се създаде действаща бомба.

Отделът за „джаджата“, създаден през август 1944 г. да обедини всички дейности върху физиката на бомбата, проектира сърцевината. Най-секретната и опасна работа се извършваше нощем в отдалечения каньон Омега от експертите на този отдел. Един безстрашен 33-годишен канадец, Луис Слотин, управляваше странен уред, наречен „гилотина“. Малко парче разпадащ се материал се пускаше да падне под действие на собствената си тежест през отвор в друг къс с маса малко под критичната, която ставаше критична през време на преминаването му. Краткотрайната верижна реакция се измерваше и регистрираше. В опитите непрекъснато увеличаваха масата на падащия къс и уредите отчитаха все по-силна реакция, докато накрая това „дърпане на опашката на дракона“, както наричаха работата на Слотин, стана прекалено опасно^[3].

Плутониевите полукълба бяха произведени от металурзите в Химичния отдел на Лос Аламос под ръководството на младия, ненавършил още 30 години Джо Кенеди и доктор Сирил Смит, англичанин, изпратен от Комитета по военна металургия във Вашингтон. Работата на 200-та души в тяхната група беше героична битка с най-екзотичните метали и форми, с които някога металургията се е сблъсквала, в съчетание с комично непознаване на новия метал. Никой от тях не беше виждал дотогава плутоний. В продължение на месеци Смит и Кенеди редовно ходеха до Чикаго, където Сийбърг, Чипман и колегите им се опитваха да им предадат малкото си собствени знания за този странен метал. Чикагската група се занимаваше с микрохимията на плутония, а хората от Лос Аламос трябваше да поемат първите произведени грамове.

Плутоният пристигаше в Лос Аламос във вид на гъст, сироповиден нитратен разтвор и на място от него трябваше да се извлече металът. Изискванията за чистота бяха фантастични и напълно непознати в историята на промишлеността, но накрая металурзите, водени от Ерик Джете, Артър Уол, Айръл Джоунс и Ричард Бейкър, успяха да получат достатъчно количество метал с непостигана дотогава степен на чистота.

Всяка стъпка в производството предлагаше нови изненади. Плутоният беше изключително токсичен и металурзите трябваше да се научат как да боравят с него. Те носеха гумени ръкавици, работеха зад защитен екран и го докосваха само с дълги щипки. Въздухът в здание D не само че се филтрираше, но дори наеха микроскопист от Смитсониънския институт да анализира редовно прашинките в него.

Почти цяла година лабораторията се занимаваше със създаване на подходяща пота за топене на плутоний. Никакъв контейнер не можеше да устои на корозивното действие на този метал и след като опитаха най-различни материали, накрая стигнаха до задънена улица. За щастие един учен от Бъркли, професор Ърман Истман, беше експериментирал с най-различни екзотични материали и един от тях — цериев сулфид — свърши работа за първите поти. През това време Джон Манли, напук на всички теории, опита с магнезиев окис, и въпреки законите на термодинамиката потите от този материал се оказаха сполучливи и бяха възприети.

Толкова малко се знаеше за плътността на плутония, че веднъж, след разгорещен спор, Джо Кенеди и Джон Чипман се хванаха на бас за 10 долара дали тя е 14 или 20. За всеобщо учудване и двамата се оказаха прави! При различни температури този странен метал преминаваше през пет различни състояния — като че ли бяха пет различни метала. Никой не бе успял да предвиди това необикновено поведение. Точката на топене също се оказа далеч по-ниска от очакванията. Изработването на две съвършени полусфери с тегло по няколко килограма от този особен, труден и смъртоносен материал, беше невероятно постижение, което тласна с много години напред развитието на металургията.

Но дори и съвършено изработените сфери от плутоний не можеха да гарантират успешната ядрена реакция. Когато започне разпадането на ядрата, повечето неутрони, произлизащи от външните участъци на сферата, щяха да излетят навън, без да засегнат друго ядро, и реакцията щеше да затихне. Трябваше да се направи нещо, за да се избегне разсейването на неутроните, или поне да се ограничи загубата им. Така се роди идеята за „отражател“, който да обвива като черупка разпадащия се материал на бомбата и да връща обратно в сферата бягащите неутрони. Първите изчисления показаха, че един добър отражател може да намали чувствително критичната маса. Според приблизителните предсказания на Сербър (които впоследствие се оказаха много близо до истината) с отражател критичната маса на уран–235 би трябвало да бъде 15 кг, а за плутония — едва 5.

Започна трескаво търсене на материал за отражателя, който да изпълнява още една допълнителна функция — да задържи за части от секундата експлозията и по този начин да увеличи още повече ефективността на бомбата. За тази цел отражателят би трябвало да е много тежък и инертността му да задържи за кратко активния материал при експлозията.

Липсата на достатъчно познания и извънредната спешност на програмата принудиха учените отново да прибегнат до характерния за целия проект метод — изследване едновременно и с голяма бързина на всички възможности. Беше проверен всеки елемент от периодичната таблица. Специална група под ръководството на Джон Манли работеше в тясно сътрудничество с теоретичния отдел на Ханс Бете и с Нилс Бор, които допринесоха много за по-доброто разбиране на ядрените свойства на отражателя. Металургичният отдел беше затрупан с поръчки за отливки от най-разнообразни метали с най-чудновата форма. Опитаха с олово, желязо, злато, платина, тунгстен, независимо от цената на тези метали. Дори се наложи да се изпише от Форт Нокс чисто злато за изработване на две полукълба с диаметър 30 см, но напразно, защото златото се оказа лош отражател.

Тогава хората от снабдяването получиха нареждане да доставят платина, достатъчна за изработването на плътен диск с дебелина 2,5 см и диаметър 30 см. Скъпоценният метал бе намерен в Ню Йорк и металурзите изработиха от него най-голямото познато платиново изделие! От съображения за секретност златото се наричаше „месинг“, а платината — „цинк“. Огромната стойност на тези предмети не правеше никакво впечатление, сравнена с фантастичната цена на уран–235 и плутоний и никой не им обръщаше внимание^[4].

Поръчките за платина и злато изглеждаха съвсем обикновени в сравнение с поръчките за материали като изключително плътния метал осмий. В Лос Аламос все пак не успяха да изработят диск и от осмий, защото се оказа, че световните запаси от този метал бяха по-малки от необходимото количество.

В началото групата, работеща върху отражателя, дори не разполагаше с уран–235 и плутоний, за да изпитва различните материали. Повечето опити се извършваха с ускорителя на Кокрофт-Уолтън, уред, в който приблизително се симулираше излъчването на неутрони. След първите експерименти списъкът на потенциалните материали за отражател се сведе до тунгстен, въглерод, уран, берилиев окис и олово. През лятото на 1944 г. в опитите бяха включени също кобалт, манган, никел и тантал.

В момента на имплозията отнякъде трябваше да се появят неутрони, за да възбудят реакцията на плутония. Възможно беше да настъпи и спонтанно делене, но шансовете за това бяха прекалено малки, за да се разчита на тях. Следователно бомбата би трябвало да е снабдена с устройство за генериране на неутрони, но, разбира се, еднакво важно би било и неутроните да не започнат предварително да се образуват. По някакъв начин бомбата трябваше да се сглоби без неутрони и те да се появят внезапно, с точност до микросекунди, в момента на имплозията — нито по-рано, нито по-късно.

Един ден доктор Чарлс Кричфийлд каза на Опенхаймер:

— Сигурен съм, че мога да направя устройство, което да се задейства в момента на имплозията.

33-годишният физик беше разработвал противотанкови снаряди и познаваше много добре балистиката и оръдията.

Както Опенхаймер, така и ръководителят на отдела за „джаджата“ Бейчър бяха скептични, но позволиха на Кричфийлд да опита. От големите учени пръв прояви интерес към идеята Нилс Бор. Той убеди Опенхаймер и Бейчър, че Кричфийлд е на прав път. Веднага се създаде комитет от водещи учени, включващ Бете, Ферми, Бейчър и Кистяковски, който да контролира работата, и проектът за неутронния източник зае важно място в програмата на лабораторията.

Устройството, което Кричфийлд и неговата група от 60 души създаваха, беше с големина на орех и официално се наричаше „инициатор“, но всички в лабораторията му казваха „таралеж“. То беше изработено от берилий и полоний — елементи, които започват да излъчват неутрони, щом влязат в контакт помежду си. „Таралежът“ трябваше да бъде поместен в пространството между двете полукълба. Очакваше се, че при имплозията инициаторът ще се разруши и двата елемента ще се смесят, с което ще се отделят неутрони, предизвикващи верижна реакция. Полоният, открит от Мария Кюри, бе мек като сирене метал, силно отровен и труден за произвеждане. Свойствата му бяха точно толкова непознати, колкото и на плутония, и досега бе получаван само в лабораторни условия. Чарлс Томас, координаторът на проекта „Манхатън“ по химията и металургията на плутония, сега бе изправен пред задачата да произведе достатъчно количество полоний. Без да губи време, Томас, който заемаше поста директор на изследователската програма на компанията „Монсанто Кемикал“, откри импровизирана лаборатория в покрития тенискорт на своята тъща, мисис Харолд Талбът. Нейното голямо имение в Дейтън, Охайо, предлагаше идеални условия за дискретност и първите количества полоний, използвани в Лос Аламос за инициатора на бомбата „Фат Ман“ („Шишкото“), бяха пречистени на нейния тенискорт.

На полигона в каньона Сандия с помощта на силни експлозиви се изпитваха десетки варианти на инициатора. За тестовете използваха най-обикновени сачми от употребявани сачмени лагери на големи турбини, в които механиците пробиваха дупка, поставяха вътре „таралежа“ и я затваряха с винт. След това сачмата се обграждаше с експлозив и се детонираше. След експлозията деформираният метал се изпращаше в лабораторията, където се опитваха да оценят степента на смесването на берилия и полония с помощта на неутронни броячи. Тези експерименти даваха само приблизителни данни, защото в бомбата събитията щяха да протекат в рамките на микросекунди, а броенето на неутроните след взривовете в каньона Сандия ставаше едва след час. Истинското доказателство за ефикасността на инициатора можеше да се получи само при експлозията на бомбата. Окончателният проект, изработен от доктор Руби Шер, изглеждаше многообещаващ, но учените от Лос Аламос трябваше да дочакат първата ядрена експлозия, за да се убедят напълно в неговата пригодност.

Една от най-сложните и деликатни задачи беше подреждането на експлозивите около плутониевата сърцевина. Имплозията би била ефикасна само ако цялата повърхност на плутониевата сфера се подложи на съвършено равномерно разпределено взривно налягане. Детонационните вълни на ТНТ обаче се разпространяват кръгово и някои техни сектори вероятно щяха да ударят сферата по-рано от други. Самата сферична форма на ядрото още повече усложняваше положението. Дори и липсата на синхрон да се изразява само в милионни части от секундата, това би било достатъчно за неуспех.

Лаиците трудно биха разбрали смисъла на безкрайно малките интервали от време, с които работят учените. Но те не се задоволяваха само да изследват и проучват явленията, протичащи в рамките на микросекунди, а решиха дори да ги фотографират. Ръководителят на инструменталната група професор Джулиън Мак успя да проектира фотоапарат, който заснема събитие, протичащо в рамките на една стомилионна част от секундата. Това чудно приспособление, наречено „фотоапарат с прелитащ образ“, почиваше на принципа на въртящото се огледало, развит от професор Джеси Биймс от университета във Вирджиния. Джулиън Мак сглоби и фотоапарата за регистриране на експлозии в лабораторната работилница, като използва стари части и най-обикновени обективи. Въпреки изключителните си възможности той не изглеждаше много внушителен — имаше форма на дълга, 30-сантиметрова консервена кутия, със стърчащ от единия край обектив.

Когато Мак и Бърлин Брикснър направиха първите снимки на взривни вълни с новия фотоапарат, снимките изглеждаха много странни и с нищо не подкрепяха предсказанията на учените. „Апаратът не е в ред“ — казаха те. Мак и Брикснър също бяха смутени, защото никога не бяха виждали детонационни вълни. Можеха ли да знаят как изглеждат те? Двамата обаче не се съмняваха във фотоапарата. Той работеше на същия принцип като апаратите, използвани за фотофиниш при конните състезания. Фокусираше върху една линия и тъй като лентата се премества през цялото време, обективът „виждаше“ само това, което я пресича. Ако кон или взривна вълна пресече линията, ще има образ, но ако нищо не я пресече, естествено, няма да има никакъв образ.

Специалистът по експлозивите Уолтър Коски смяташе, че фотоапаратът на Мак е добър, но представите на учените за взривните вълни са погрешни. Той разполагаше със специална светкавица, която даваше импулси светлина с продължителност една десетомилионна част от секундата. Снимките на имплозията, направени с тази светкавица, приличаха много на получените с апарата на Мак. От този момент той се превърна в много полезно средство за проучването на имплозията. Друг фотоапарат, измислен от У. Дж. Марли, учен от британската мисия, можеше да прави 100 000 снимки в секунда. Той също беше използван при изследванията на взривните вълни.

Операторите, скрити в бетонен бункер и защитени от бронирани стъкла, направиха първите снимки. На тях ясно личаха асиметрията и неравномерностите при имплозията. Очевидно, ако тези недостатъци не се избегнеха, нямаше да може да се създаде атомна бомба при досегашната система. За решаването на този проблем трябваха чудеса от изобретателност и точност. Наблюденията на учените върху кръгообразното разпространение на взривните вълни ги доведоха до идеята да се използват лещи. Не би ли било възможно, също както в оптиката, да се промени формата на взривните вълни? Идеята бе подсказана от много учени — най-напред фон Нойман и Пиърлс, след това Джеймс Тък от британската мисия, който имал опит с „оформени“ експлозиви във Великобритания, и накрая Кистяковски, който беше работил в Лабораторията по експлозивите на Военноморските сили в Брустън, Пенсилвания. Но истинското развитие и практическото приложение на експлозивните лещи беше извършено изцяло в Лос Аламос.

Експлозивните лещи променяха формата на взривните вълни също както оптичните лещи променят формата на светлинните вълни. Те представляваха специално подредени по-слаби и по-силни експлозиви, които предизвикват взривни вълни с различна скорост. Благодарение на разположението си взривните лещи променяха движението на взривната вълна и тя достигаше до всички точки на сферата от плутоний с еднаква сила и в един и същи момент с точност до микросекунда.

Не беше лесно и да се предизвика едновременна детонация на цяла дузина експлозивни лещи. Детонаторите се задействаха от електрически ток и трябваше да се извършат спешни химични изследвания върху скоростта на разпространение на електрическите импулси във всеки експлозив. При обикновените експлозии детонацията протича за хилядни от секундата, но при имплозията беше нужно тя да протече за една милионна част.

Джордж Кистяковски, ръководителят на Отдела за експлозиви, много се дразнеше от почти суеверното отношение на своите колеги към експлозивите. Той беше направо шокиран от тяхното невежество в тази област. „Няма никаква магия в експлозивите — повтаряше често той. — Всичко може да бъде разбрано, ако се проучи внимателно. Рисковете често се надценяват — хората имат напразни страхове.“ Според Кисти транспортирането на експлозивите за бомбата не беше по-опасно от боравенето с малка опаковка динамит.

Точно това неговите колеги не искаха да разберат. Веднъж, много раздразнен от подобен спор, той реши да докаже по някакъв начин своята правота. Натовари един напълно зареден модел на бомбата в колата си и я подкара бясно по най-изровените пътища на скалистото плато в продължение на половин час. Когато спря пред главното здание, видя, че там го чакат пребледнелите му колеги. Той не каза нищо, но в триумфалния му поглед можеха да се прочетат цели томове напътствия към тях.