"Жұқа Адам" ядролық қаруының жобасы тарихы

Кіріспе

Ядролық қару (әзірлеу тоқтатылды)

"Тин Ман" – АҚШ Манхэттен жобасы барысында дамытылған, плутониймен жұмыс істейтін, қару түріндегі ядролық бомбаның кодтық атауы. 1944 жылы ядролық реакторда өндірілген плутонийдің спонтанды бөліну деңгейінің, 240 плутоний изотопының жоғары концентрациясы салдарынан қару түріндегі конструкцияда қолдануға тым жоғары екені анықталған соң, оны әзірлеу тоқтатылды.

Алдын ала шешімдер

1942 жылы, АҚШ армиясы Манхэттен жобасы деп аталатын соғыс кезіндегі атомдық зерттеулерді басқаруды қолға алғанға дейін, Роберт Оппенгеймер маусым айында Чикагода және шілдеде Берклиде, Калифорнияда физиктер ядролық бомбаның дизайны мәселелерін талқылаған конференциялар өткізді. Плутонийдің екі сынды емес массасы "оқты" "мақсатқа" ату арқылы біріктірілетін үлгі таңдалды. Ричард Толман имплозиялық типтегі ядролық қару идеясын ұсынды, бірақ ол әлдеқайда күрделі болғандықтан, көп назар қаратпады. Оппенгеймер 1943 жылдың басында мүмкіндіктерін қарастырып, тапанша типтегі қаруға басымдық берді, бірақ алдын ала жарылу қаупіне қарсы сақтандыру үшін Сет Неддермейер басқаратын Лос-Аламос зертханасында E 5 тобын құрып, имплозияны зерттеуді тапсырды. Имплозиялық типтегі бомбалар бомбадағы бөлінетін материалдың бірлік массасына шаққандағы жарылыс қуаты тұрғысынан әлдеқайда тиімді екені анықталды, себебі сығылған бөлінетін материалдар жылдамырақ және толыққандырақ реакцияға түседі. Бірақ, зерттеу жұмыстарының көп бөлігі плутонийлік тапанша типтегі бомбаға жұмсалатын болып шешілді, өйткені бұл жобада ең аз белгісіздік болды. Урандық тапанша типтегі бомба одан оңай жасала алады деп есептелді.

Атау беру

Қару және имплозиялық типтегі конструкциялардың кодтық атаулары сәйкесінше "Жұқа Адам" және "Семіз Адам" болды. Бұл кодтық атауларды Манхэттен жобасында жұмыс істеген Оппенгеймердің бұрынғы студенті Роберт Сербер жасаған. Ол оларды конструкцияларының пішініне сәйкес таңдады; "Жұқа Адам" өте ұзын құрылғы болар еді, ал атауы Дашиэлл Хэмметтің "Жұқа Адам" атты детективтік романынан және сол аттас фильмдер сериясынан алынған. "Семіз Адам" дөңгелек және тоқ болар еді, ал атауы Сидней Гринстриттің "Мальтийлік соқыр" фильміндегі кейіпкерінің құрметіне берілген. "Кішкентай Ұл" уран қаруының дизайны кейінірек пайда болды және ол "Жұқа Адамнан" өзгешелік көрсету үшін ғана аталды. Лос-Аламостың "Жұқа Адам" және "Семіз Адам" кодтық атауларын Америка Құрама Штаттарының Әскери-әуе күштері (USAAF) қабылдады. Жамылғы ретінде, Silverplate президент Франклин Рузвельт ("Жұқа Адам") және Ұлыбритания премьер-министрі Уинстон Черчилль ("Семіз Адам") АҚШ-ты құпия түрде аралау үшін Пуллман вагонын өзгерту туралы әңгіме ойлап табылды. Әуе күштері қызметкерлері телефон арқылы кодтық атауларды қолданып, олар Рузвельт пен Черчилль үшін ұшақты өзгертіп жатқандай көрінуге тырысты.

Даму

Плутонийлік қаруды жасау үшін Оппенгеймер Лос-Аламос зертханасында аға инженер Эдвин Макмиллан және аға физиктер Чарльз Кричфилд пен Джозеф Хиршфельдерді қамтитын команда құрды. Кричфилд саботтармен жұмыс істеді, Оппенгеймер «Жұқа Адамға» (Thin Man) критикалық жиналымды қажет ететін жоғары бастапқы жылдамдыққа жету үшін қажет деп сенді; Хиршфельдер ішкі баллистиканы зерттеді. Оппенгеймер 1943 жылдың маусымына дейін жобалау жұмысына жеке басшылық етті, содан кейін АҚШ Әскери-теңіз күштерінің капитаны Уильям Стерлинг Парсонс келіп, Қару-жарақ және Инженерлік бөлімінің және «Жұқа Адам» жобасының тікелей басқаруын өз қолына алды. Осы төртеуі 1943 жылдың сәуірінен 1944 жылдың тамызына дейін «Жұқа Адам» дизайнының барлық элементтерін жасап, сынақтан өткізді. Парсонс, Теңіз күштері үшін жақын аралық қозғалтқышты (proximity fuze) жасаған, бөлімді басқарды және басқа мекемелермен байланыс орнатты. E 6 снаряд, нысана және бастау тобының басшысы ретінде Кричфилд критикалық массаларды есептеп, 20 мм және 3 дюймдік зеңбіректерді пайдаланып, масштабты модельдермен тікелей сынақ жүргізу жүйесін енгізді. Бұл зеңбіректерді оңай және жылдам алуға болады, ал толық көлемдегі «Жұқа Адам» түтіктерін жасауға бірнеше ай уақыт кетті. Плутониймен сынақтар жүргізу мүмкін болмады, себебі ол әлі қолжетімді емес еді. Шындығында, металдың физикалық қасиеттері сол кезде білімді болжамдардан аспады. Хиршфельдер E 8 Ішкі Баллистика тобына жетекшілік етті. Оның тобы математикалық есептеулер жасады, бірақ сонымен қатар қолайлы ұнтақ, тұтандырғыш және праймерді анықтау қажет болды. Оның тобы таңдалған материалдармен толық көлемде сынақтар жүргізді. Бомбаның физикалық мөлшерін анықтау, оны тасымалдауға қолайлы ұшақты таңдауда маңызды рөл атқарды. E 8 тобы зеңбірек оқтарының бастапқы жылдамдығын шамамен , 1944 жылы қол жетімді ең жоғары деңгейге жақын деп бағалады және оқпан ішіндегі қысымға қатысты есептеулер жасады. Қару жасаушылар тек критикалық массаны біріктіру жеткілікті деп ойласа да, Сербер дизайнға бастаушыны (initiator) қосуды ұсынды. Полоний-210 және бериллий бастаушысы таңдалды, себебі полоний-210-ның 140 күндік жартылай ыдырау периоды бар, бұл оны қоймада сақтауға мүмкіндік берді, сондай-ақ оны Онтарио штатының Порт-Хоуп қаласындағы табиғи кендерден алуға болады. Оппенгеймер оны Теннесси штатының Оук-Ридж қаласындағы Клинтон инженерлік кешеніндегі X 10 графит реакторында немесе олар қолжетімді болған кезде Вашингтон штатындағы Ханфорд инженерлік кешеніндегі реакторларда өндіруді сұрады.

To work on the plutonium gun design, Oppenheimer assembled a team at the Los Alamos Laboratory that included senior engineer Edwin McMillan and senior physicists Charles Critchfield and Joseph Hirschfelder. Critchfield had been working with sabots, which Oppenheimer believed would be required by the Thin Man to achieve the high muzzle velocities that critical assembly would require; Hirschfelder had been working on internal ballistics. Oppenheimer led the design effort himself until June 1943, when United States Navy Captain William Sterling Parsons arrived and took over the Ordnance and Engineering Division and direct management of the Thin Man project. These four created and tested all the elements of the Thin Man design between April 1943 and August 1944. Parsons, who had developed the proximity fuze for the Navy, ran the division and handled liaison with other agencies. As the head of the E 6 Projectile, Target, and Source Group, Critchfield calculated critical masses, and instituted a system of live testing with scale models using 20 mm cannon and 3 inch guns. These were readily and easily obtained, while full scale Thin Man tubes took months to produce. It was not possible to conduct tests with plutonium, as it was not yet available. Indeed, the actual physical characteristics of the metal were little more than educated guesses at this time. Hirschfelder headed the E 8 Interior Ballistics Group. His group performed mathematical calculations, but he also had to identify a suitable powder, igniter, and primer. His group conducted full scale tests with their selections. Fixing the physical size of the bomb proved important when it came to selecting a suitable aircraft to carry it. The E 8 group estimated the muzzle velocity of the gun at around , close to the maximum achievable in 1944, and calculated that the pressure in the barrel would be up to
Although the weapon's designers thought that simply bringing a critical mass together would be sufficient, Serber suggested that the design should also include an initiator. A polonium 210 beryllium initiator was chosen because polonium 210 has a 140 day half life, which allowed it to be stockpiled, and it could be obtained from naturally occurring ores from Port Hope, Ontario. Oppenheimer requested that it also be manufactured in the X 10 Graphite Reactor at the Clinton Engineer Works in Oak Ridge, Tennessee, or when they became available, the reactors at the Hanford Engineer Works in Washington State.

Сипаттамалар

"Жұқа адам" – уран-238-дің сәулеленуінен ядролық реакторда плутонийді сәтті өндіруге дейін ұсынылған алғашқы ядролық қару жобасы. Плутонийдің, 235 уран сияқты, бір субкритикалық бөлікті екіншісіне атуды қамтитын тапанша тәрізді әдіспен сыни массаға жиналатыны болжалды. Алдын ала жарылудың немесе "сәуле шығудың" алдын алу үшін плутоний "оғы" кем дегенде белгілі бір жылдамдыққа дейін үдетілуі керек болды, әйтпесе бөлшектену реакциясы жиналым аяқталмас бұрын басталып, құрылғыны мерзімінен бұрын жарылып кететін еді. "Жұқа адамның" ұзындығы 5 метр, кең құйрығы мен мұрының жиынтығы және орта бөлігі болды. Ұзындығы плутоний "оғының" "мақсатқа" жеткенге дейін жеткілікті жылдамдыққа жетуі үшін қажет болды. Соңғы қару үлгісіне сәйкес салмағы шамамен алғанда ... құрады. АҚШ Әскери-әуе күштерінің қару-жарағында "Жұқа адамды" өзгеріссіз тасымалдай алатын ұшақ болған жоқ, ал 1943 жылы Норман Рамсей британдық Avro Lancaster ұшағын "Жұқа адамды" ішкі тасымалдауға болатын жалғыз ұшақ деп ұсынды, себебі оның бомбалық бөлімі 10 метр (33 фут) болатын. Алайда, американдық Boeing B-29 Superfortress ұшағын негізгі қанатының астындағы бөліктің бір бөлігін және оның екі бомбалық бөлімі арасында орналасқан оттегі баллондарының бір бөлігін алып тастау арқылы оны тасымалдау үшін өзгертуге болады. Бұл өзгерту Boeing Wichita өндіріс желісінен шыққан 58-ші үлгіде жасалды, AAF сериялық нөмірі 42-6259. Рамсей Ланкастерді ұсынғанмен, АҚШ Әскери-әуе күштерінің бас штабы генерал-лейтенант Генри Х. Арнольд бұл ұсынысты қабылдамады, американдық үлгіні, атап айтқанда B-29 ұшағын басып алды. "Жұқа адам" және "Семіз адам" макеттік бомбаларын сынауға кіріспес бұрын, Манхэттен жобасының директоры бригадалық генерал Лесли Гроувс сынақтар үшін Ланкастерді пайдалануды ұсынды, себебі B-29 өндірісте болғанымен, әлі де жетіспейтін еді. Арнольд бұл ұсынысты қайтадан қабылдамады, өйткені ол B-29 ұшағының әзірленуіне көп уақыт пен ақша жұмсаған еді.

Аэродинамика

Бомбаның едәуір ұзындығы аэродинамикалық тұрақсыздыққа алып келді. 1943 жылдың тамызынан бастап, бомбаның кішірейтілген үлгілері Вирджиния штатындағы Дальгрен қаласындағы АҚШ Әскери-теңіз күштерінің сынақ полигонында Grumman TBF Avenger ұшағынан тасталды. Бомбалар тасталғаннан кейін бүйірге бұрылып, жерге тигенде жарылып кетті. Thin Man бомбасын жетілдіру мақсатында 1944 жылдың наурыз айында 24 рет сынақ жүргізілді, содан кейін сынақтар тоқтатылды. Бомбалар дереу босатылмады, бұл калибрлеу сынақтарын қиындатты. 1944 жылдың 16 наурызында өткен, серияның соңғы сынақ ұшуы барысында Thin Man бомбасы мерзімінен бұрын босатылып, B-29 әлі де сынақ полигонына ұшуда болғанда бомбалық бөлімшесіне құлап, сынақ ұшағына ауыр зақым келтірді. Бомбаны бомбалық бөлімшеде ұстап тұруға арналған өзгертілген планерлік сүйрегіш ілгектерінің механизмдері бомбалардың үлкен салмағына байланысты төртінші рет жұмыс істемеуге себеп болды. Олар британдық G типіндегі бір нүктелі бекіткіштермен және Ланкастерде Tallboy бомбасын тасымалдау үшін қолданылатын F типіндегі босату құрылғыларымен ауыстырылды.

Предетонация

1942 жылы плутоний бомбасын жасау мүмкіндігі күмәндалған болатын. 14 қарашада Джеймс Конант британдық Tube Alloys жобасының директоры Уоллес Акерстен Джеймс Чадвик "қоспалардың салдарынан плутоний қару үшін тиімді бөлінетін материал бола алмайды" деген хабарды естіді. Конант Эрнест Лоуренс пен Артур Комптонмен ақылдасты, олар Беркли мен Чикагодағы ғалымдарының бұл мәселені білетінін, бірақ оған дайын шешім ұсына алмайтындарын мойындады. Конант Манхэттен жобасының директоры, бригадир генерал Лесли Р. Гроувзға хабарлады, ол өз кезегінде Лоуренс, Комптон, Оппенгеймер және Макмилланнан тұратын арнайы комитет құрды. Комитет кез келген мәселені плутонийдің тазалығын арттыру арқылы шешуге болатынына келісті. 1944 жылдың сәуірінде Эмилио Г. Сегре және оның P 5 тобы Лос-Аламоста X 10 графит реакторынан алынған плутонийді зерттеген кезде, плутонийде 240 изотопы түріндегі қоспалар бар екенін анықтады. Бұл плутоний-239-ға қарағанда әлдеқайда жоғары спонтанды ыдырау деңгейіне ие. Циклотронда алынған материалда плутоний-240-тың мөлшері анағұрлым аз болды. Бірақ реакторда өндірілген плутонийге оның қосылуынан қашу мүмкін емес еді. Бұл реакторлық плутонийдің спонтанды ыдырау деңгейінің өте жоғары екенін, сондықтан оның критикалық массаның қалыптасу кезінде ерте жарылып, өзін-өзі жоюы мүмкін екенін білдірді. Плутонийді жарылу қаупін азайту үшін қажетті жылдамдыққа дейін үдету үшін қажетті қашықтық, кез келген қолданыстағы немесе жоспарланған бомбалаушыға арналған зеңбірек түйірін тым ұзын ететін еді. Плутонийді қолданылатын бомбада пайдаланудың жалғыз жолы – имплозия, яғни инженерлік тұрғыдан әлдеқайда күрделі тапсырма. Плутонийді қолданатын зеңбірек типті бомбаның мүмкін еместігі 1944 жылдың 17 шілдесінде өткен мәжілісте келісілді. Манхэттен жобасындағы барлық зеңбірек типті жұмыстар Little Boy байытылған уранды зеңбірек дизайнына бағытталды, ал Лос-Аламос зертханасындағы зерттеулердің басым бөлігі Fat Man бомбасының имплозиясы мәселелеріне қайта бағытталды.

The feasibility of a plutonium bomb had been questioned in 1942. James Conant heard on 14 November from Wallace Akers, the director of the British Tube Alloys project, that James Chadwick had "concluded that plutonium might not be a practical fissionable material for weapons because of impurities." Conant consulted Ernest Lawrence and Arthur Compton, who acknowledged that their scientists at Berkeley and Chicago respectively knew about the problem, but could offer no ready solution. Conant informed the director of the Manhattan Project, Brigadier General Leslie R. Groves Jr., who in turn assembled a special committee consisting of Lawrence, Compton, Oppenheimer, and McMillan to examine the issue. The committee concluded that any problems could be overcome by requiring higher purity. In April 1944, experiments by Emilio G. Segrè and his P 5 Group at Los Alamos on the reactor produced plutonium from X 10 Graphite Reactor showed that the plutonium contained impurities in the form of the isotope plutonium 240. This has a far higher spontaneous fission rate than plutonium 239. The cyclotron produced material on which the original measurements had been made had much lower traces of plutonium 240. Its inclusion in reactor bred plutonium appeared unavoidable. This meant that the spontaneous fission rate of the reactor plutonium was so high that it would be highly likely that it would predetonate and blow itself apart during the initial formation of a critical mass. The distance required to accelerate the plutonium to speeds where predetonation would be less likely would mandate a gun barrel too long for any existing or planned bomber. The only way to use plutonium in a workable bomb was implosion—a far more difficult engineering task. The impracticability of a gun type bomb using plutonium was agreed at a meeting held on 17 July 1944. All gun type work in the Manhattan Project was directed at the Little Boy enriched uranium gun design, and almost all of the research at the Los Alamos Laboratory was re oriented around the problems of implosion for the Fat Man bomb.