Големите количества енергия са ...

• въведение
• Материалният свят
  • Мярката на нещата
  • Атоми, ядра и елементи
• радиоактивност
• Ядра и Вселена
  • Звезди, галактики и Вселена
  • От началото до края
  • Раждането, живота и смъртта на звездите
  • Произходът на елементите
• Ядрената енергия
  • Ядрени източници на енергия
  • делене
  • Ядрени реактори
  • Други приложения на ядрената енергия
  • Ядрени отпадъци
  • Ядрен синтез
• Ядрени приложения
  • Ползи и рискове
  • Ядрена медицина
  • Рентгенови лъчи в медицината
  • Методи за датиране в изкуството и археологията
• Ядрена история
  • Историята на ядрените оръжия
  • Наука и Втората световна война
  • Атомна бомба

През юли 1939 г. Силард убеждава икономиста Александър Сакс в необходимостта от силна американска инициатива относно заявленията за делене, за да се противопостави на развитието на Германия. Шилард помоли Айнщайн да пише на президента Рузвелт и да подчертае опасностите и възможностите на деленето.

С приноса на Едуард Телър и Юджийн Вигнер писмото е съставено на 2 август 1939 г. Сакс представя писмото с технически документ от Силард на Рузвелт на 11 октомври 1939 г. и председателят незабавно създава комитет. Uranium Consulting, ръководен от учения Лиман Дж. Бригс, член на правителството.

Вдясно изображение: Айнщайн и Л. Силард през август 1939 г. По-долу: оригиналното писмо на Айнщайн-Шилард

Приоритет беше даден на усилията на Ферми в Ню Йорк да произведе верижна реакция с естествен уран и графитен модератор, заедно с проучвания в различни лаборатории за отделяне на изотопа 235 U. Елемент 94 (плутоний) беше открит в Бъркли от Глен Сиборг през февруари 1941 г. и неговите делящи се свойства са изследвани от Сиборг заедно с Емилио Сегре. Използването на плутоний като алтернатива на 235 U се превърна във важен вариант.

През юни 1941 г. Ваневар Буш убеждава Рузвелт в необходимостта учените да участват в отбранителни програми и разработването на нови оръжия. Създава се Службата за научни изследвания и развитие (OSRD), организация, която се отчита директно на президента. ACU е поставен под контрола на OSRD под новото име на „Раздел S-1“. Препоръчва се участието на промишлеността в производството на пилотни инсталации и се прилага по-строг политически контрол върху научните изследвания.

Изображение отгоре: Научни ръководители на проекта S-1: Ърнест О. Лорънс, Артър Х. Комптън, Ванебар Буш, Джеймс Б. Конант, Карл Т. Комптън, Алфред Л. Лумис (Бъркли, 29 март 1940 г.).

На 9 октомври 1941 г. В. Буш представя доклада MAUD, предоставен от британците на Рузвелт и вицепрезидента Хенри А. Уолъс. Рузвелт дава на Буш пълномощие да разследва дали бомба може да бъде изградена и на каква цена, с необходимото финансиране от специален президентски източник. Трябваше да се пази статутът на „строго секретно“ и да се определят детайлите на сътрудничеството с Обединеното кралство по много точен начин. Това беше от решаващо значение за производството на бомбата.

Сътрудничеството имаше своите трудности, породени от частта, която едновременно изглеждаше по-напреднала в ядрените изследвания. През 1941 г. британците ограничиха потока от информация до американците, които през 1942 г. отказаха да включат британски екип в програмата си. Проблемите се комбинираха с присъствието на френски учени в британския проект и с патентната политика. През януари 1943 г. комуникацията е окончателно прекъсната. Сътрудничеството в тази форма е спряно от тристранния договор от Квебек от 17 август 1943 г. между Канада, Обединеното кралство и САЩ. Обединеното кралство спря своя проект за бомба и британски учени се присъединиха към американския екип, осигури се свободен обмен на информация и всяка страна има вето върху използването на бомбата.

След влизането на САЩ във войната през декември 1941 г. американската ядрена програма получава ресурси на най-високо ниво, без никакви бюджетни ограничения.

В Чикаго Артър Комптън беше отговорен за провеждането на верижната реакция за производството на плутоний, в Бъркли Ърнест Лорънс беше отговорен за електромагнитното изотопно разделяне на 235 U чрез използване на циклотрони, специално проектирани за тази цел. Харолд Урей е отговорен за изотопното разделяне чрез центрофугиране и дифузия на газ.

Генерал Лесли Гроувс е назначен за военен началник на проекта през септември 1942 г., наричан сега „Манхатънски инженерен район“ (MED) и веднага дава най-висок приоритет на осигуряването на необходимите материали и избира площ от 230 км2 в Тенеси (Оук Ридж) за изграждане на лабораториите. посветен на производството на делящ се материал.

Вдясно изображение: Карта на комплекса Oak Ridge, построен за производство на делящи се материали. За няколко месеца този селски район видя, освен огромните лаборатории, и град с население от 13 000 души и мрежа от павирани пътища от 500 км. На следващата година населението на града достига 42 000 души.

Експериментите на Енрико Ферми с естествен уран и по-качествен графит му дават увереност, че ще успее в самоподдържаща се верижна реакция. На 6 ноември 1942 г. той започва да изгражда демонстрационен реактор (CP1) с помощта на Вигнер за теоретични изчисления.

CP1 се демонтира незабавно и се възстановяват материали за изграждането на по-голям CP2 в новата лаборатория в гората Аргон близо до Чикаго.

Ляво изображение: западна трибуна на стадиона Stagg в Чикагския университет, под който е построена CP1.

Електромагнитно разделяне тя се основава на принципа, че заредените обекти се ускоряват, когато се движат в електромагнитно поле. По-тежките йони ще се отклоняват по-малко от по-леките йони. Правилно поставените колектори могат да използват това разделяне.

The дифузионен метод се основава на факта, че по-леките молекули в даден газ ще имат по-висока средна скорост от по-тежките молекули. Компресиран газ от ураново съединение се оставя да се дифузира през пореста бариера: малко по-лекият 235 Молекулите имат по-голям шанс да излязат през дупки (част от микрона в диаметър). След това излизащият газ, леко обогатен с желания изотоп (3 части на 1000), се компресира отново и процесът се повтаря. През 1945 г. в станция Oak Ridge общата площ за отделяне е била хиляди квадратни метра и е произведен обогатен до 10% уран.

Горе вдясно изображение: схематична диаграма на газовия поток в дифузионна каскада

За проектирането на бомбата Дж. Робърт Опенхаймер, научният директор на MED, реши да събере всички необходими учени и експерти в нова секретна лаборатория, построена в Лос Аламос (Ню Мексико), през зимата на 1942-1943. През март 1943 г. лабораторията, която беше под отговорността на Калифорнийския университет, започна основни изследвания за производство на „практическо военно оръжие“. Няколко инструмента за изследване са прехвърлени от САЩ: циклотрон от Харвард, два ускорителя на Ван дер Грааф от Уисконсин, ускорител Cockroft-Walton от Илинойс и др. Населението на Лос Аламос се удвоява на всеки 9 месеца, за да достигне 5000 през 1945 г.

Опенхаймер, който не е последовател на военните ограничения, успя да запази стила на научна институция и да направи изследователската работа възхитителна. Животът там беше труден, но вълнуващ и контактът на млади физици с опитни учени им позволи да придобият жизненоважни умения.

Пътят към Плутоний започва, като позволява на 238 U да абсорбира неутрон в бавно-неутронния ядрен реактор. След прототипите CP1 и CP2, индустриалните компании построиха 3 големи реактора в нов секретен център в Ханфорд (Вашингтон) и един в Oak Ridge.

В Лос Аламос изследванията на химичните, физичните и металургичните свойства на новия материал започват веднага след доставката на Плутон, първоначално в грамови количества, а през пролетта на 1945 г. в значителни количества, достатъчни за производството на три бомби.

Бомбата 235 U, наречена „Момченцето“, е била готова в Лос Аламос на 3 юли 1945 г. Делящият се материал е обогатен до 86% за 3 критични маси, всяка с тегло около 60 кг. Детонацията му се основава на оръдейната техника, използвайки оръдие с дължина 180 см и тегло 453 кг.

Малкото момче беше дълго около 3 м, с диаметър 70 см, достатъчно малко, за да влезе в пространството, осигурено от бомбардировач В-29, и имаше общо тегло около 4000 кг. Учените са имали пълна увереност в неговата работа и не се е смятало за необходимо предварително тестване.

Плутониевата бомба "Дебелия човек" имаше плутониево ядро, което тежеше около 6,1 кг и трябваше да се детонира чрез техниката на имплозия, за да се избегне предварителната детонация, като се използва количество от 2300 кг мощно взривно вещество. Ядрото, уранът и мощните експлозиви се съхраняват в устройство, състоящо се от дванадесет секции с форма на петоъгълник. Оръжието имаше стабилизиращи устройства и яйцевиден защитен капак с диаметър 150 см. „Дебелия човек“ беше дълъг около 365 см и тежеше около 4900 кг.

Изображение: Бомба на Дебелия човек, докато е готова за доставка до Нагасаки.

Техниката на имплозия е напълно нова и предварителните частични тестове не дават увереност въз основа на определени доказателства.

Тъй като наличният плутоний беше достатъчен, в средата на юли 1945 г. в Аламогордо, в пустинята Ню Мексико, на място, наречено Тринити, беше направен последен тест на пълната бомба.

Ефективността на оръжието беше 17%, с мощност 22kt. Тестът също така позволи проверка на няколко технически подробности, но основната цел беше директно да се изпитат ефектите от ядрена експлозия.

Нито един от свидетелите на първата ядрена експлозия всъщност не беше подготвен за събитието: от първоначалната светкавица и първоначалната огнена топка без никакъв шум, от тихата топлина на светлинния импулс, като едновременни тежки длани на двете бузи, до ударната вълна, която пробягайте през пустинната почва и до облака от трески, който генерира формата на гъба.

Вдясно изображение: Първоначалната огнена топка от първата ядрена експлозия на Земята, 16 юли 1945 г.

Основните явления обаче остават непроменени. Огромната енергия, произведена за краткото време на експлозията, загрява материалите до температури от десетки милиони градуси и налягания от порядъка на милион атмосфери. Излъчват се големи количества енергия, главно от електромагнитно естество, които се абсорбират от въздуха, което води до образуването на изключително гореща и нажежаема въздушна маса. Тази огнена топка се увеличава и увеличава, понижавайки температурата си. След около минута светлината излъчва и облакът се издига до около 7 км.

Последователността от снимки вляво показва първите 4 секунди от еволюцията на огнената топка от експлозията, свързана с теста на Троицата.

До началото на 1945 г. стана ясно, че съюзниците ще спечелят войната както в Европа, така и в Тихия океан. Много учени започнаха да обсъждат социалните и политическите последици от ядрената енергетика и последиците от използването на бомбата. През юни 1945 г. докладът на Джеймс Франк предлага Япония да бъде предотвратена и силата на бомбата да бъде демонстрирана в необитаем район, за да се покажат нейните опустошителни ефекти. Създаден е научен кръг, състоящ се от Комптън, Ферми, Лорънс и Опенхаймер, за да съветва Временния комитет и да докладва за мнението на учените.

Сутринта на 6 август 1945 г., в 08:15, Малкото момче е хвърлено над Хирошима, взривява се на 580 м над града, с мощност между 12 и 15kt. На 9 август 1945 г. в 11:02 ч. Дебелия човек експлодира на 503 м над Нагасаки; мощността му беше над 22kt. Двата града бяха унищожени, с над сто хиляди мъртви и сто ранени. Япония се предаде и Втората световна война приключи. Окончателното решение за хвърляне на бомбата беше мотивирано както във военно отношение, за да се избегнат огромни човешки загуби при нахлуването в Япония, така и политически, за прекратяване на войната, преди Съветският съюз да се разшири в Тихия океан.

Изображение: Полковник Пол У. Тибетс младши в своя бомбардировач B52 "Enola Gay" преди излитане в Хирошима.

След войната започнаха да се изследват гражданските и военните перспективи на ядрената енергетика. Новият президент на САЩ Хари С. Труман създаде "Временна комисия", която да вземе решение за използването на оръжия и да очертае ядрена програма за в бъдеще. Сред решенията, които трябваше да се вземе, беше да се избере между започване на международно сътрудничество или провеждане на американска монополна политика.

Но Втората световна война беше повратна точка в отношенията между учените и правителствата. Първите не само изобретиха и изработиха нови оръжия, но също така популяризираха и участваха във вземането на решения за тяхното използване, ставайки партньори в процеса на вземане на политики.

Военният и политическият успех на атомната бомба и икономическите перспективи на ядрената енергия дадоха видимост и сила на научната общност навсякъде. Обединеното кралство, Русия и Франция се нуждаеха от учени, за да изградят свои собствени ядрени арсенали. В САЩ физиците получиха значителна финансова подкрепа и успяха да спечелят, въпреки желанието на военните заведения, отговорност за контрола върху развитието на ядрената енергия. В САЩ ядрената енергийна политика е делегирана на Комисията за атомна енергия, организация под граждански контрол.

---