Оппенгеймер хотел назначить своим заместителем Раби, но тот занимался радаром в МТИ и считал эту задачу более важной, чем попытки построить на фундаменте трех столетий славной физической истории оружие массового поражения. Хотя у Раби были иные причины для отказа, нежели у Ферми, Оппенгеймер смог и его убедить работать в таком же удаленном режиме. Немного поколебавшись, Раби также стал консультантом Лос-Аламоса.
15 апреля в пустой библиотеке состоялось первое собрание физиков Лос-Аламоса и Сербер прочитал первую часть вступительных лекций. Гровс при этом сделал несколько пессимистических замечаний. Казалось, он уже готовился к провалу и подумывал, что скажет в Конгрессе на заседании Комиссии по атомной энергии, которое обязательно состоится и на котором обязательно выяснят, на что Гровс растратил такие деньги.
После этого Сербер прочитал первый доклад с итогами деятельности летней учебной группы и результатами работ за последний год по делению ядер быстрыми нейтронами. Сербер слыл не самым лучшим оратором, но в данном случае содержание было гораздо важнее формы. «Цель проекта, — говорил Сербер, — создание реального боевого оружия в форме бомбы, энергия в которой высвобождается в результате цепной реакции на быстрых нейтронах в одном или более веществах, характеризующихся атомным распадом»[105]. На лекции многие ученые из-за предшествовавшей изоляции до этого момента не имели целостного представления о том, чем они занимались. Одни догадывались о деталях. Другие только о чем-то слышали. Теперь всем им предстояло подготовиться к решению гораздо более масштабной задачи.
На первый взгляд казалось, что сконструировать атомную бомбу достаточно просто. Берется два куска урана-235 или плутония докритической массы, чтобы вместе они составили массу значительно выше критической, и при получении такой суммарной массы происходит взрыв. Но перед тем как это случится, предстояло решить совсем не тривиальные проблемы.
Первая была связана с эффективностью. На данном этапе необходимая критическая масса урана-235 оценивалась в 200 килограммов — многовато для снаряда, который нужно сбросить с бомбардировщика. Исследователи предложили увеличить КПД устройства, а для этого уменьшить массу активного вещества, для чего активное вещество предлагалось заключить в «отражатель нейтронов» — оболочку из урана-238 или золота, которая позволила бы возвращать вылетающие нейтроны обратно в активное вещество. В случае с ураном-235 такой отражатель позволит снизить критическую массу примерно до 15 килограммов. Для плутония, заключенного в отражатель из урана-238, критическая масса составит всего 5 килограммов.
Однако критическая масса — это минимум, при котором возникает цепная ядерная реакция, для боевой же бомбы активного вещества потребуется значительно больше. Было уже ясно, что это количество превысит критическую массу, и его стали называть «сверхкритической» массой[106]. В первую очередь нужно было собрать сверхкритическую массу из нескольких докритических компонентов. Компоненты соединятся, вызывая разветвленную (дивергентную) цепную реакцию, при которой свободных нейтронов производится больше, чем поглощается.
Очень важно было рассчитать время. Оценки показывали, что 1 килограмма урана-235 распадается за миллионную долю секунды, причем энергия взрыва составляет 20 000 тонн в тротиловом эквиваленте, а вызванная взрывом начальная температура сравнится с температурой тысячи солнц. При таких температурах уран сразу же испарится, газообразное вещество быстро рассеется, из-за чего будет все сложнее поддерживать цепную реакцию. В определенный момент пар достигнет «вторичной критической точки»: количество нейтронов, высвобождаемых в результате распада, сравняется с количеством нейтронов, покидающих зону реакции. На этом детонация и взрывное высвобождение энергии завершится.
Если компоненты соединятся слишком медленно и сверхкритическая масса взорвется преждевременно (и тут же разлетится в разные стороны), взрыв получится значительно более слабый. Одно из решений этой проблемы заключалось в следующем. Цилиндрической пробкой из активного вещества (ее окрестили затравкой) нужно выстрелить в сферу, имеющую докритическую массу. Таким образом, их суммарная масса превзойдет критическую. Следуя терминологии физиков из «Трубных сплавов», такой метод получения сверхкритической массы назвали «пушечным».
105
Лекции Сервера исправно записал Эдвард Кондон, первый помощник Оппенгеймера в лаборатории. Затем конспекты лекций издали одним томом — получилась вводная работа, известная под названием «Лос-аламосский букварь». Этот документ рассекретили и опубликовали в 1992 году.
106
На самом деле эффективность бомбы (она равна отношению количества вещества, распадающегося при взрыве, и общего количества ядерного топлива) пропорциональна кубу разницы между общей массой бомбы и критической массой.