Велика кількість енергії ...

вступ
Матеріальний світ
- Міра речей
- Атоми, ядра та елементи
радіоактивність
Ядра і Всесвіт
- Зірки, галактики та Всесвіт
- Від початку до кінця
- Народження, життя і смерть зірок
- Походження елементів
Ядерна енергетика
- Ядерні джерела енергії
- ділення
- Ядерні реактори
- Інше використання ядерної енергії
- Ядерні відходи
- Ядерний синтез
Ядерні програми
- Переваги та ризики
- Ядерна медицина
- Рентген в медицині
- Методи датування в мистецтві та археології
Ядерна історія
- Історія ядерної зброї
- Наука та Друга світова війна
- Атомна бомба

У липні 1939 р. Сілард переконав економіста Олександра Сакса в необхідності сильної американської ініціативи щодо заявок на поділ з метою протидії німецьким подіям. Шилард попросив Ейнштейна написати президенту Рузвельту та висвітлити небезпеку та можливості поділу.

За сприяння Едварда Теллера та Євгена Вігнера лист був складений 2 серпня 1939 р. Сакс передав листа технічний документ від Сіларда Рузвельту 11 жовтня 1939 р., І голова негайно створив комітет. Uranium Consulting, яку очолює вчений Лайман Дж. Бріггс, член уряду.

Праве зображення: Ейнштейн і Л. Шилард у серпні 1939 р. Внизу: оригінальний лист Ейнштейна-Шиларда

Пріоритет був наданий зусиллям Фермі в Нью-Йорку з метою проведення ланцюгової реакції з природним ураном і графітовим сповільнювачем, а також дослідженнями в різних лабораторіях з розділення ізотопу 235 U. Елемент 94 (плутоній) був виявлений у Берклі Гленн Сіборг у лютому 1941 р., А його цільові властивості вивчав Сіборг разом з Еміліо Сегре. Використання плутонію як альтернативи 235 U стало важливим варіантом.

У червні 1941 року Ванневар Буш переконав Рузвельта в необхідності участі вчених у оборонних програмах та розробці нової зброї. Створено Управління з наукових досліджень і розробок (ОСРР) - організація, яка підпорядковується безпосередньо президенту. ACU переходить під контроль OSRD під новою назвою “Розділ S-1”. Рекомендується залучення промисловості до виробництва експериментальних установок і застосовується більш жорсткий політичний контроль досліджень.

Зображення вгорі: Наукові керівники проекту S-1: Ернест О. Лоуренс, Артур Х. Комптон, Ваннебар Буш, Джеймс Б. Конант, Карл Т. Комптон, Альфред Л. Луміс (Берклі, 29 березня 1940).

9 жовтня 1941 р. В. Буш представив звіт MAUD, наданий британцями Рузвельту та віце-президенту Генріху А. Уоллесу. Рузвельт надає Бушу повноваження розслідувати, чи можна і за яку ціну побудувати бомбу за необхідного фінансування зі спеціального президентського джерела. Потрібно було зберігати статус "цілком таємно", а деталі співпраці зі Сполученим Королівством мали бути визначені дуже точно. Це мало вирішальне значення для виготовлення бомби.

Співпраця мала свої труднощі, спричинені тією частиною, яка, здавалося, була одночасно більш досконалою в ядерних дослідженнях. У 1941 році британці обмежили потік інформації американцями, які в 1942 році відмовились включати британську команду до своєї програми. Проблеми поєднувалися з присутністю французьких вчених у британському проекті та з патентною політикою. У січні 1943 року зв'язок було остаточно перервано. Співпраця в такій формі була зупинена тристороннім договором у Квебеку від 17 серпня 1943 р. Між Канадою, Великобританією та США. Сполучене Королівство припинило свій проект бомби, і британські вчені приєдналися до американської команди, забезпечився вільний обмін інформацією, і кожна сторона мала право вето на використання бомби.

Після вступу США у війну в грудні 1941 р. Американська ядерна програма отримувала ресурси на найвищому рівні без будь-яких бюджетних обмежень.

У Чикаго Артур Комптон відповідав за проведення ланцюгової реакції на виробництво плутонію, в Берклі Ернест Лоуренс відповідав за електромагнітне ізотопне розділення 235 U за допомогою циклотронів, спеціально розроблених для цієї мети. Гарольд Урей відповідав за поділ ізотопів шляхом центрифугування та дифузії газу.

У вересні 1942 року генерал Леслі Гроувс був призначений військовим начальником проекту, який тепер називається Інженерний округ Манхеттена (MED), і відразу ж надав найвищий пріоритет забезпеченню необхідними матеріалами та обрав територію площею 230 км2 у штаті Теннессі (Оук-Ридж) для будівництва лабораторій. присвячена виробництву подільного матеріалу.

Праве зображення: Карта комплексу Оук-Ридж, побудованого для виробництва подільних матеріалів. За кілька місяців у цій сільській місцевості, окрім величезних лабораторій, було побудовано місто з населенням 13 000 чоловік та мережею доріг із твердим покриттям у 500 км. Наступного року населення міста досягло 42 000 чоловік.

Експерименти Енріко Фермі з природним ураном і більш якісним графітом дали йому впевненість у тому, що він досяг успіху в самодостатній ланцюговій реакції. 6 листопада 1942 р. Він почав будувати демонстраційний реактор (СР1) за допомогою Вігнера для теоретичних розрахунків.

CP1 негайно демонтується, а матеріали відновлюються для будівництва більшого, CP2, у новій лабораторії в лісі Аргонна біля Чикаго.

Ліве зображення: західна трибуна стадіону Stagg Університету Чикаго, під яким був побудований CP1.

Електромагнітне розділення він заснований на принципі, що заряджені предмети прискорюються при русі в електромагнітному полі. Більш важкі іони будуть відхилятися менше, ніж легші іони. Правильно розміщені колектори можуть використовувати цей розділ.

дифузійний метод засновано на тому, що легші молекули в газі матимуть вищу середню швидкість, ніж важчі молекули. Стиснутому газу сполуки урану дозволяється дифундувати через пористий бар’єр: трохи легший 235 Молекули мають більший шанс вирватися через отвори (частка мікрона в діаметрі). Потім газ, що виходить, трохи збагачений бажаним ізотопом (3 частини на 1000) повторно стискають і процес повторюють. У 1945 році на станції Оук-Ридж загальна площа для розділення становила тисячі квадратних метрів, і було вироблено збагачений до 10% уран.

Зверху праворуч: принципова схема потоку газу в дифузійному каскаді

Для проектування бомби Дж. Роберт Оппенгеймер, науковий керівник MED, вирішив зібрати всіх необхідних вчених та експертів у новій секретній лабораторії, яка була побудована в Лос-Аламосі (Нью-Мексико), взимку 1942-1943 років. У березні 1943 р. Лабораторія, за яку відповідав Каліфорнійський університет, розпочала основні дослідження з виробництва "практичної військової зброї". З США було передано кілька інструментів дослідження: Гарвардський циклотрон, два прискорювачі Ван дер Граафа з Вісконсіна, прискорювач Кокрофт-Уолтон з Іллінойсу тощо. Населення Лос-Аламоса подвоювалось кожні 9 місяців, досягнувши 5000 у 1945 році.

Оппенгеймеру, який не є послідовником військових обмежень, вдалося зберегти стиль наукової установи та провести чудову дослідницьку роботу. Життя там було важким, але захоплюючим, і контакт молодих фізиків з досвідченими вченими дозволив їм набути життєво важливих навичок.

Шлях до Плутонію починається з того, що дозволяє 238 U поглинати нейтрон в ядерному реакторі, що працює на повільних нейтронах. Після прототипів CP1 та CP2 промислові компанії побудували 3 великих реактори в новому секретному центрі в Хенфорді (штат Вашингтон) та одному в Оук-Ридж.

У Лос-Аламосі дослідження хімічних, фізичних та металургійних властивостей нового матеріалу розпочались, як тільки був доставлений Плутон, спочатку в грамових кількостях, а навесні 1945 року в значних кількостях, достатньому для виробництва трьох бомб.

Бомба 235 U під назвою "Маленький хлопчик" була готова в Лос-Аламосі 3 липня 1945 р. Розщеплюваний матеріал збагатився до 86% для 3 критичних мас, кожна з яких важила близько 60 кг. Його детонація базувалася на гарматній техніці, використовуючи гармату довжиною 180 см і вагою 453 кг.

Маленький хлопчик був довжиною близько 3 м, діаметром 70 см, достатньо малим, щоб увійти в простір, передбачений бомбардувальником B-29, і загальною вагою близько 4000 кг. Вчені були повністю впевнені в його роботі, і жодне попереднє випробування не вважалося необхідним.

Плутонієва бомба «Товстун» мала ядро плутонію, яке важило близько 6,1 кг, і його потрібно було детонувати методом імплозії, щоб уникнути попередньої детонації, використовуючи 2300 кг потужної вибухової речовини. Ядро, уран та потужні вибухові речовини зберігалися в пристрої, що складався з дванадцяти секцій у формі п’ятикутника. Зброя мала стабілізуючі пристрої та яйцеподібний захисний кожух, діаметром 150 см. «Товстун» був довжиною близько 365 см і важив близько 4900 кг.

Зображення: Бомба Товстуна, готова до доставки в Нагасакі.

Техніка імплозії була абсолютно новою, і попередні часткові тести не давали впевненості на основі певних доказів.

Отож, оскільки доступного плутонію було достатньо, остаточне випробування всієї бомби було проведено в Аламогордо, в пустелі Нью-Мексико, на місці під назвою Трійця, в середині липня 1945 року.

Ефективність зброї становила 17%, при потужності 22 кт. Тест також дозволив перевірити кілька технічних деталей, але основною метою було безпосереднє відчуття наслідків ядерного вибуху.

Жоден зі свідків першого ядерного вибуху насправді не був готовий до події: від початкового спалаху та початкового вогняного кулі без жодного шуму, від тихого нагрівання імпульсу світла, як одночасні важкі долоні на обох щоках, до ударної хвилі, яка бігати по пустельній землі і до хмари осколків, яка створює форму гриба.

Праве зображення: Початковий вогненний куля від першого ядерного вибуху на Землі, 16 липня 1945 року.

Однак основні явища залишаються незмінними. Величезна енергія, що виробляється за короткий час вибуху, нагріває матеріали до температури в десятки мільйонів градусів і тиску близько мільйона атмосфер. Випромінюється велика кількість енергії, переважно електромагнітного характеру, яка поглинається повітрям, що призводить до утворення надзвичайно гарячої та розжареної повітряної маси. Ця вогненна куля збільшується в розмірах і збільшується, знижуючи свою температуру. Приблизно через хвилину світло випромінює, а хмара піднімається приблизно до 7 км.

Послідовність фотографій ліворуч показує перші 4 секунди еволюції вогняної кулі від вибуху, пов’язаної з тестом Трійці.

На початку 1945 року стало ясно, що союзники виграють війну як у Європі, так і в Тихому океані. Багато вчених почали обговорювати соціальні та політичні наслідки ядерної енергетики та наслідки використання бомби. У червні 1945 р. У звіті Джеймса Франка було запропоновано запобігти запобіганню Японії та продемонструвати силу бомби в безлюдному районі, щоб продемонструвати руйнівні наслідки. Для консультування Тимчасового комітету було створено науковий гурток, до складу якого входили Комптон, Фермі, Лоуренс та Оппенгеймер та повідомлялося про погляди вчених.

Вранці 6 серпня 1945 року о 08:15 Маленький Хлопчик був перекинутий над Хіросімою, вибухнувши на висоті 580 м над містом, потужністю від 12 до 15 кт. 9 серпня 1945 року об 11:02 ранку Товстун вибухнув на 503 м над Нагасакі; його потужність була понад 22kt. Два міста були зруйновані, понад сто тисяч загиблих та сотня поранених. Японія капітулювала, а Друга світова війна закінчилася. Остаточне рішення кинути бомбу було мотивоване як у військовому плані, щоб уникнути величезних людських втрат в результаті вторгнення в Японію, так і в політичному плані припинити війну до розширення Радянського Союзу на Тихий океан.

Зображення: полковник Пол В. Тіббетс-молодший у своєму вибуху B52 "Enola Gay" перед вильотом до Хіросіми.

Після війни почали вивчатися цивільні та військові перспективи ядерної енергетики. Новий президент США Гаррі Трумен створив "Тимчасовий комітет" для прийняття рішення про використання зброї та окреслення ядерної програми на майбутнє. Серед рішень, які потрібно було прийняти, було вибір між початком міжнародної співпраці чи проведенням американської монопольної політики.

Але Друга світова війна стала переломною у відносинах між науковцями та урядами. Перші не тільки винаходили та будували нову зброю, але й пропагували та брали участь у прийнятті рішень щодо їх використання, стаючи партнерами у процесі прийняття політики.

Військовий та політичний успіх атомної бомби та економічні перспективи ядерної енергетики надали науковій спільноті видимості та потужності скрізь. Великобританія, Росія та Франція потребували вчених для створення власних ядерних арсеналів. У США фізики отримали значну фінансову підтримку і зуміли отримати, незважаючи на бажання військових установ, відповідальність за контроль розвитку ядерної енергетики. У США ядерно-енергетична політика була делегована Комісії з атомної енергії, організації, що контролюється цивільним сектором.